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Kapazitives Schaltelement
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Ein kapazitiver Taster als elektrischen Signalgeber mit einer beweglichen
Belagelektrode, die mittels eines axial verschiebbaren und selbsttätig in die Ruhestellung
zurückkehrenden Verstellglieds betätigbar und zusammen mit einen Dielektrikum sowie
mindestens einer stationär angeordneten Belagelektrode einen veränderbaren Kondensator
bildet, bei dem in Ruhestel5sung die beiden Belagelektroden mit Abstand übereinanderliegen
und eine kleine Kapazität aufweisen und in Schaltstellung isoliert aufeinanderliegen
und eine grdnaere Kapazität bilden, ist durch die DE-PS 22 29 406 bekannt Das axial
verschiebbare Betätigungsglied ist bei dieser Ausgestaltung an seiner Unterseite
mit einer isolierenden Trägerscheibe bestückt, an der die Schenkelenden einer gebogenen
Blattfeder befestigt sind, die die bewegliche Belagelektrode bildet und mit der
auf einer Grundplatte angeordneten stationären Belagelektrode zusammenwirkt Das
Betätigungsglied, die Trägerscheibe sowie die Belagelektroden sind hierbei. somit
axial hintereinander angeordnet.
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Bei Schalttasten mag diese Augestaltung möglich sein, obwohl eine
einwandfreie Funktion nicht gegeben ist, da die bewegliche Belagelektrode bei jedem
Schaltvorgang mechanisch beansprucht und somit die Betätigungscharakteristik rasch
verändert wird und des weiteren die Belagelektroden nicht zuverlässig vor Schmutz
zu schützen sind: eine universelle Anwendung des auf diese Weise gebildeten mechanisch
beanspruchten Kondensators ist jedoch nicht zu bewerkstelligen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein kapazitives Schaltelement
zu schaffen, das äusserst einfach in seinem Aufbau ist, das mechanisch nicht beansprucht
wird und damit eine hohe Lebensdauer aufweist und dessen Einschaltpunkt auch bei
sehr intensiver Benutzung nicht verändert wird. Des weiteren sollen die beiden Schaltpunkte
unterschiedlich sein, damit eine echte Schalthysterese gegeben ist und es soll ohne
Schwierigkeiten eine staub- und feuchtigkeitsdichte Anordnung der den Kondensator
bildenden Bauteile bewerkstelligt werden können.
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Gemäss der Erfindung ist das kapazitive Schaltelement dadurch gekennzeichnet,
dass einem Kondensator mit veränderbarer Kapazität ein Magnet als Schaltglied zugeordnet
ist, mittels dem die Kapazität des Kondensators veränderbar ist.
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Zweckmässig ist es hierbei, als Schaltglied einen Permanentmagneten
vorzusehen und zum Auslösen eines Schaltvorganges Kondensatoren und Permanentmagneten
relativ zueinander zu verstellen, wobei der Kondensator und/oder der Permanentmagnet
in einer translatorischen Bewegung oder einer rotierenden Bewegung zueinander verstellbar
sein können.
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In gleicher Weise kann als Schaltglied aber auch ein Elektromagnet
mit vorzugsweise gerichtetem Magnetfeld vorgesehen werden, wobei zum Auslösen eines
Schaltvorganges in dem Schaltelement der Elektromagnet ein- oder ausgeschaltet wird
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann der Kondensator innerhalb des Elektromagneten
angeordnet sein Angebracht ist es, den Kondensator aus einer stationären Belagelektrode
und einer von dieser durch ein Dielektrikum getrennten beweglichen und magnetisch
empfindlichen Belagelektrode zu bilden, wobei die beiden Belagelektroden als ebene
oder gekrümmte dünnwandige Platten, Bänder oder Folien gestaltet sein können, die
in Ruhestellung parallel zueinander angeordnet sind. Die bewegliche Belagelektrode
kann hierbei auch als vorzugsweise vorgespannte Blattfeder ausgebildet sein.
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Sehr zweckmässig ist es ferner, die bewegliche Belagelektrode einseitig
im äusseren Randbereich einer Längsseite mit Hilfe eines Distanzstückes mit Abstand
an der stationären Belagelektrode zu befestigen.
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Vorteilhaft ist es auch, die bewegliche Belagelektrode zur Reduzierung
des verformbaren Querschnittes mit einem oder mehreren Einschnitten, vorzugsweise
im Bereich der Befestigung an der stationären Belagelektrode mit einer U-förmig
ausgebildeten Freisparung zu versehen.
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Um die Belagelektroden zuverlässig vor Staub und Feuchtigkeit zu schützen,
ist es ferner angebracht, diese sowie das Dielektrikum in einem geschlossenen Gehäuse
einzusetzen.
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Ausserdem sollte die stationäre Belagelektrode und die bewegliche
Belagelektrode seitlich neben dem Magneten oder dessen Bewegungsbahn angeordnet
und die stationäre Belagelektrode zwischen der beweglichen Belagelektrode und-dem
Magneten eingesetzt sein.
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Vorteilhaft ist es des weiteren, eine oder beide Belagelektroden derart
auszubilden und/oder vorzuspannen, dass deren Anlage und damit die Kapazität des
Kondensators in Abhängigkeit von dem Kraft feld des Magneten verändert wird.
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Damit ist eine Möglichkeit gegeben, den Weg oder die Intensität des
Magneten in einen analogen Schaltimpuls umzuwandeln.
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Das gemäss der Erfindung ausgebildete kapazitive Schaltelement besteht
nicht nur aus wenigen Bauteilen und ist da mit auf wirtschaftliche Weise herzustellen,
sondern ein derartiges Schaltelement ist vor allem sehr zuverlässig in der Funktion,
störunempfindlich und ausserordentlich vielseitig verwendbar. Wird nämlich einem
Kondensator mit veränderbarer Kapazität ein Magnet als Schaltglied zugeordnet, mittels
dem die Kapazität verändert werden kann, so ist es mit einfachen Mitteln möglich,
die den Kondensator bildenden Bauteile hermetisch abzukapseln, so dass diese weder
durch Staub noch durch Luftfeuchtigkeit beeinflusst werden können. Fehlfunktionen
aufgrund eventueller Kapazitätsänderungen sind demnach ausgeschlossen.
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Des weiteren werden die Belagelemente des Kondensators mechanisch
nicht beansprucht. Die Anlage an der stationären Belagelektrode erfolgt vielmehr
ausschliesslich durch die Kraft des Magneten, so dass ein erster Schaltvorgang stets
bei einer bestimmten Magnetkraft erfolgt und somit -auch keine Schaltpunktverschiebungen
auftreten. Und durch die magnetische Betätigung des Kondensators ist auch eine echte
Schalthystere
gegeben, da bei schwächer werdendem Magnetfeld der Kondensator über den ersten Schaltpunkt
hinaus noch anspricht.
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Aufgrund der sehr einfachen Ausgestaltung kann das nur aus einem Kondensator
und einem Magneten bestehende Schaltelement in äusserst vielseitiger Weise eingesetzt
werden. Beispielsweise ist es möglich, dieses als elektrischen Signalgeber in Form
einer kapazitiven Taste mit axial verschiebbarem Betätigungsglied auszubauen. Der
Kondensator oder der Magnet können aber auch in rotierende oder linear verstellbare
Bauteile eingesetzt werden, um eine Drehzahl, einen Druck, einen Verstellweg odOdglO
zu bestimmen. Eine vielseitige Verwendbarkeit als Drehzahlmesser, Drucksensor0 Koppelelement,
kapazitive Taster oder ähnlichen Bauteilen ist somit ohne Schwierigkeiten gegeben.
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Weitere Einzelheiten eines gemäss der Erfindung ausgebildeten kapazitiven
Schaltelementes sind den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, die
nachfolgend im einzelnen erläutert sind, zu entnehmen. Hierbei zeigen: Fig. 1 ein
aus einem Kondensator und einem Permanentmagnet bestehendes Schaltelement in schematischer
Darstellung, Fig. 2 das Schaltelement nach Fig. 1 in einem Schaltzustand, Fig. 3
das Schaltelement nach Fig. 1 mit einem Elektromagneten als Schaltglied, Fig. 4
das Schaltelement nach Fig. 4 in einem Schaltzustand,
Fig. 5 eine
andersartige Ausgestaltung eines Schaltelementes nach Fig. 3, Fig. 6 eine weitere
Ausführungsform eines Schaltelementes nach Fig. 1, Fig. 7 das Schaltelement nach
Fig. 6 in einem Schaltzustand, und Fig. 8 die den veränderbaren Kondensator bildenden
Bauteile des Schaltelementes nach Fig. 6 in perspektivischer Darstellung.
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Das in den Fig. 1 bis 4 dargestellte und jeweils mit 1 bezeichnete
Schaltelement besteht aus einem Kondensator 2 mit veränderbarer Kapazität und einem
Magneten als Schaltglied, der als Permanentmagnet 3 oder auch als Elektromagnet
4 ausgebildet sein kann. Der Kondensator weist eine stationäre Belagelektrode 5
sowie eine bewegliche magnetisch empfindliche Belagelektrode 6 auf, die durch ein
Dielektrikum 7 voneinander getrennt sind.
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Wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, der Magnet 3 gemäss dem Pfeil
4 parallel zu dem Kondensator 21 gemäss dem Pfeil B senkrecht zu diesem oder auf
einer Kreisbahn (Pfeil C) zu diesem bewegt - selbstverständlich kann aber auch der
Kondensator an dem Magneten 3 vorbeibewegt werden - bzw. wird der Elektromagnet
eingeschaltet, so wird durch das Magnetfeld die bewegliche Belagelektrode 6 zu der
stationären Belagelektrode hingezogen und legt sich an dieser wie es in den Fig.
2 und 4 gezeigt ist, durch das Dielektrikum 7 elektrisch getrennt an. Dadurch wird
die Kapazität zwischen den den veränderbaren Kondensator 2 bildenden Belagelektroden
5 und 6, die in Ruhelage gemäss den Fig. 1 und 3 mit Abstand
übereinander
liegen, und eine geringe Kapazität aufweisen, vergrössert, so dass ein Schaltvorgang
ausgeführt wird.
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Durch die Lage des Magneten 3 bzw. die Erregung des Magneten 4 kann
somit ein Schaltvorgang ausgelöst werden. Der Verstellweg des Magneten 3auf den
beispielsweise eine Druckkraft, um eine Druckhöhe zu bestimmen, einwirkt, bzw. die
Erregung des Magneten 4 ist gegebenenfalls unmittelbar in ein analoges elektrisches
Signal umzuwandeln.
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Das Schaltelement 11 nach Fig. 5 ist in gleicher Weise aufgebaut und
wirksam. Der Kondensator 12, der wiederum aus einer stationären Belagelektrode 14,einer
beweglichen Belagelektrode 15 sowie einem zwischen diesen angeordneten Dielektrikum
16 gebildet ist, ist hierbei von einem Elektromagneten 13 unmittelbar umgeben, wobei
dessen Magnetfeld durch eine Platte 17 gerichtet ist0 Auf diese Weise ergibt sich
eine besonders kompakte Ausgestaltung des Schaltelementes 11.
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Das in den Fig. 6 bis 8 dargestellte Schaltelement 21 besteht ebenfalls
aus einem Kondensator 22 mit veränderbarer Kapazität und einem gegenüber diesem
verstellbar angeordneten Permanentmagneten 23. Die aen Kondensator 22 bildenden
Bauteile, nämlich die stationäre Belagelektrode 25, die bewegliche, magnetisch empfindliche
Belagelektrode 26 sowie das Dielektrikum2;ind bei dieser Ausgestaltung in einem
geschlossenen Gehäuse 24 eingesetzt, in dem die stationäre Belagelektrode 25 mittels
der Randteile 25' beispielsweise in nicht sichtbaren schnitzartigen Ausnehmungen
gehalten ist. An der stationären Belagelektrode 25 ist das Dielektrikum 27 unmittelbar
und mittels eines Distanzstückes 30 und Nieten 32, die die in diese Teile eingearbeiteten
Schlitze 31, 31', 31" und 31m' durchgreifen,und rnit Abstand auch die bewegliche
Belagelektrode 26 an diesen befestigt.
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Die beiden Belagelektroden 25 und 26, deren Anschluss 28 und 29 aus
dem Gehäuse 24 herausgeführt sind, sind als dünnwandige Platten'ausgebildet und
seitlich neben dem Magneten 23 angeordnet. Durch das von diesen ausgehende Magnetfeld
wird die bewegliche Belagelektrode 26 zu der stationären Belagelektrode 25 entgegen
ihrer Eigenspannung hingezogen und liegt, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, an dieser
durch das Dielektrikum 27 getrennt an. Dadurch wird wiederum die Kapazität des Kondensators
22 vergrössert und ein Schaltvorgang ausgeführt. Um den zu verformenden Querschnitt
der beweglichen Belagelektrode 25 und damit die erforderliche Schaltkraft zu verringern,
ist in diese eine U-förmige Freisparung 33 eingearbeitet.
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Die Bauteile des Kondensators 22 werden somit nicht mechanisch beansprucht,
vielmehr sind diese völlig abgekapselt in dem Gehäuse 24 eingesetzt, so dass sie
vor Staub und Schmutz zuverlässig geschützt sind. Der Magnet 23 kann hierbei, wie
auch bei den anderen Ausführungsbeispielen, auf unterschiedliche Art verstellt bzw.
beeinflusst werden.