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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Vorrichtungen, die als Wandler bekannt sind, die eine elektrische
Signalausgabe oder -anzeige liefern, wenn sie in einer Schaltung
angeschlossen sind, und zwar bezüglich
einer mechanischen oder anderen physikalischen, nicht elektrischen
Eingangsgröße, wie
beispielsweise auf eine Bewegung oder Kraft hin, um eine Schnittstelle
zwischen einem physischen oder mechanischen System und einer elektrischen Schaltung
vorzusehen.
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Vorrichtungen dieser Bauart werden
eingesetzt, wenn es erwünscht
ist, eine elektrische Anzeige einer zu überwachenden oder zu messenden
physischen Größe in kontinuierlicher
oder laufender Weise zu liefern, und zwar ohne die Notwendigkeit,
Werte aufzuzeichnen, oder die Messvorrichtung zurück zu setzen
oder neu zu starten. Insbesondere werden Wandler eingesetzt, um
eine Anzeige einer Bewegung oder einer kontinuierlich variierenden
Verschiebung zu liefern, insbesondere, eine vom Anwender bewirkte
Bewegung eines Steuergliedes, wo ein elektrisches Signal geliefert
wird, dessen Charakteristiken variiert oder verändert werden, um eine diskrete
elektrische Anzeige von unterschiedlichen Positionen des Gliedes
zu liefern. Bekannte Bewegungs- oder Verschiebungswandler haben
Potentiometer und mit variablen Widerständen ausgerüstete Schieber verwendet, die über ein
stationäres
Widerstandsmaterial bewegt werden, um den Gesamtwiderstand der Vorrichtung
zu variieren. Typischerweise ist die Vorrichtung mit variablem Widerstand
auf einem Schenkel oder Arm bzw. Zweig einer Wheatston'schen Brücke angeschlossen.
Diese elektrische Brückenanordndung
liefert die erwünschte
elektrische Empfindlichkeit auf kleine Veränderungen des Widerstandes,
die kleine Verschiebungen des Eingabegliedes darstellen, um dadurch
die erwünschte Genauigkeit
der Messung oder der Steuerung zu bieten. Alternativ kann ein Mikrocomputer
mit einer Nachschautabelle von vorbestimmten Beziehungen zwischen
der gemessenen Eigenschaft oder der verfolgten Verschiebung und
dem elektrischen Widerstand verwendet werden.
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Jedoch haben Potentiometer der Bauart
mit variabler Schiebevorrichtung inhärente Nachteile dahingehend,
dass sie teuer herzustellen sind, und dass sie einer Veränderung
des elektrischen Widerstandes aufgrund Veränderungen der Schwenkflächen und
der Verschlechterung mit der Zeit im Dienst unterworfen sind. Entsprechend
ist es erwünscht
gewesen, einen Bewegungs- oder Verschiebungswandler vorzusehen,
der eine hohen Grad an Empfindlichkeit für kleine Verschiebungen hat,
und der ein zuverlässiges
und wiederholbares elektrisches Signal liefert, und der geringe
Herstellkosten hat.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung sieht einen
Bewegungs- oder Verschiebungswandler vor, der auf eine Verbindung
mit einer externen Schaltung hin eine elektrische Anzeige dafür liefert,
was proportional zu der Position eines vom Anwender bewegbaren Eingabeglieds
ist, welches einen schwenkbaren Kipphebel bzw. eine Wippe vorsieht,
die auf der Vorrichtung vorgesehen ist. Die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung verwendet einen variablen Widerstand der Bauart, der auf
Kraft/Druck empfindlich für
einen Oberflächenkontakt
ist und die Notwendigkeit für
einen Schieber eliminiert.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, einen Wandler vorzusehen, der ein variables elektrisches
Signal für
den Widerstand ansprechend auf eine Bewegung eines Kippgliedes durch
einen Anwender an der Vorrichtung liefert.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung, einen Positions- oder Bewegungswandler vorzusehen, der
einen kraftdruckempfindlichen Widerstand verwendet, um ein elektrisches
Signal für variablen
Widerstand ansprechend auf die Bewegung eines Eingabegliedes durch
einen Anwender zu liefern.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung, einen Drehpositionswandler vorzusehen, der ein Signal
für einen
variablen elektrischen Widerstand ausgibt, und zwar ansprechend
auf eine Bewegung eines Anwenders eines Kippglieds, und der einen
kraft/druckansprechenden Widerstand einsetzt, was die Notwendigkeit
für einen
Schieber eliminiert.
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Der Wandler der vorliegenden Erfindung setzt
einen kraftdruckempfindlichen Widerstandsstreifen bzw. Messstreifen
ein, der einer variablen Kraft durch eine Betätigungsvorrichtung unterworfen ist,
die gegen den Streifen mit einer senkrechten Kraft proportional
zur Winkeldrehung oder der Bewegung des Eingabekippelementes vorgespannt
ist. Die normale bzw. senkrechte Kraft wird durch eine Nocke an
der Kippvorrichtung erzeugt, und in der bevorzugten Form der Erfindung
sind die Nockenflächen
so konfiguriert, dass die Vorspannkraft proportional zur Bewegung
des Kippelementes über
den erwünschten
Bewegungsbereich des Kippelementes variiert wird. Die Vorrichtung
kann mit Rast- bzw. Feststellmitteln an ausgewählten Drehpositionen des Kippelementes
konfiguriert sein, um es dem Anwender zu ermöglichen, das Kippelement in
eine vorgewählte
Position zu bewegen, die fühlbar
unterscheidbar ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht oder Ansicht des Wandlers der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Schnittansicht, aufgenommen entlang des Schnittes, der durch
die Linien 2-2 der 1 angezeigt
wird;
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3 ist
eine Schnittansicht, die entlang des Abschnittes aufgenommen wurde,
der durch die Linien 3-3 der Vorrichtung der 2 angezeigt wird;
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
des unteren Teils der 2,
wobei Teile weggebrochen sind, um die inneren Komponenten zu zeigen;
und
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5 ist
eine Schnittansicht, die entlang der den Schnitt anzeigenden Linien
5-5 der 4 aufgenommen
ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Mit Bezug auf die 1, 2 und 3 wird die Wandleranordnung
der vorliegenden Erfindung im allgemeinen bei 10 gezeigt
und weist Gehäusemittel auf,
die ein oberes Körperglied 11,
ein mittleres Körperglied 12 und
ein unteres Körperglied 14 aufweisen,
wobei die Körperglieder
aneinander durch geeignete Befestigungsmittel befestigt sind, wie
beispielsweise durch Schrauben 16, 18, die in
gestrichelter Umrandung in 3 gezeigt
sind. Eine Kapsel, die im Allgemeinen bei 20 gezeigt ist,
ist an dem unteren Körper 14 angebracht,
wie im folgenden genauer beschrieben wird. Ein vom Anwender betätigtes Glied,
welches das Kippelement 22 aufweist, ist schwenkbar in
dem oberen Körper 12 mittels
einer Schwenkwelle oder eines Schwenkstiftes 24 montiert und
hat einen Zapfenteil 26, der sich nach außen aus der
oberen Gehäusehülle 12 erstreckt.
Es wird klar sein, dass das Kippelement 22 alternativ für eine bogenförmige Bewegung
oder eine bogenförmige
Gleitbewegung ohne einen festen Schwenkstift eingeschränkt bzw.
festgelegt werden könnte.
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Es wird verständlich sein, dass der Teil 26 Griffflächen daran
haben kann, um die manuelle Betätigung
zu erleichtern, wobei die Oberflächen
in einer getrennten Kappe 28 ausgebildet sein können, die über den
Teil 26 des Kippelementes 22 aufgenommen wird.
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Das mittlere Körperglied 12 hat ein
Paar von beabstandeten Lagerungen 36, 38 die jeweils
geöffnet
sind, wobei ein Ende des Stiftes 24 darin zur schwenkbaren
Lagerung des Kippelementes 22 befestigt ist. Das obere
Körperglied 11 hat
eine darin ausgebildete Bohrung 42, in der verschiebbar
ein Raststift oder Stößel 44 aufgenommen
ist, der zum Äußeren der
Bohrung 42 durch eine Feder 46 vorgespannt ist.
Das Ende des Raststößels 44 ist
gegen die rechte axiale Stirnseite des Kippelements 22 vorgespannt
und dient da zu, um elastisch mit einer von einer Vielzahl von bogenförmig beabstandeten Rastausnehmungen 47, 48, 49, 51 und 52 in
Eingriff zu kommen, die in dem Kippelement 22 ausgebildet sind.
Das Kippelement 22 hat eine an seinem unteren Ende ausgebildete
Nockenfläche 50,
die vorzugsweise asymmetrisch um die Mitte von einer der Rastausnehmungen 49 ist.
Es wird klar sein, dass das Kippelement 22 manuell von
einem Anwender an der Kappe 28 ergriffen werden soll und
in irgend eine einer Vielzahl von Drehpositionen gedreht werden
soll, und zwar über
eine Winkelverschiebung, die durch das griechische Zeichen Theta
in 2 bezeichnet wird.
Bei der gegenwärtigen
Ausführung
der Erfindung hat der Winkel Theta einen Wert von 40 Grad und ist
unterteilt in vier Segmente, die durch fünf Rastausnehmungen bezeichnet
sind, wie durch die Bezugszeichen 47, 48, 49, 51 und 52 bezeichnet,
die in der gegenwärtigen
praktischen Ausführung
gleichmäßig winklig
beabstandet sind.
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Die Position des Kippteils 26 entsprechend jeder
der Rastausnehmungen 47, 48, 49, 51 und 53 wird
durch geeignete Anzeigen oder Indizes markiert, die in 1 jeweils mit 53, 55, 57, 59 und 61 bezeichnet
sind. Die Kippelementbewegung entweder im Uhrzeigersinn oder gegen
den Uhrzeigersinn wird neutralisiert oder zur Mitte durch Rückstellfedern 45 bzw. 43 zurückgestellt,
die an den unteren Körper 14 durch
Schrauben 54 montiert sind.
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Mit Bezug auf die 1, 3, 4 und 5 ist die Kapsel 20 der Anordnung 10 derart
gezeigt, dass sie eine äußere Hülle 56 besitzt,
die einen Flansch 58 mit vergrößertem Durchmesser hat, der
um ihren oberen Teil herum vorgesehen ist, und zwar benachbart zum oberen
Ende, wobei der Flansch dazu dient, die Kapsel gegen die Unterseite
des unteren Körpers 14 in Ausrichtung
bzw. Übereinanderlage
zu bringen. Die Kapselhülle
wird in dem unteren Körper 14 durch
irgend ein geeignetes Mittel gehalten, beispielsweise über Drehverriegelungslaschen 60, 62,
die sich nach außen
aus dem oberen Ende der Hülle 56 erstrecken.
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An der Körperhülle 56 der Kapsel 20 ist
an der Unterseite davon eine Schaltungsplatinenanordnung angebracht,
die im allgemeinen bei 64 gezeigt ist, die an der Unterseite
der Körperhülle 56 durch
geeignete Befestigungsmittel gesichert wird, wie beispielsweise
durch Schrauben 66. Es wird jedoch verständlich sein,
dass die Kapselkörperhülle 56 alternativ
integral mit dem unteren Körper 14 ausgebildet sein
kann, falls erwünscht.
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Mit Bezug auf 4 ist die Kapsel 20 im Detail
derart gezeigt, dass sie ein Stößelglied 68 besitzt, welches
verschiebbar in einer Bohrung 70 aufgenommen ist, die in
der Hülle 56 vorgesehen
ist; und der Stößel 68 hat
einen hohlen zylindrischen Teil 72 mit verringertem Durchmesser,
der sich axial nach unten vom oberen Teil 68 erstreckt.
Der zylindrische Teil 72 des Stößels 68 dient als
Führung
oder Führungsstück und hat
eine darüber
aufgenommene Feder 74, wobei die oberen Enden der Feder
gegen die Unterseite des Teils 68 anliegen bzw. ausgerichtet sind;
und das gegenüberliegende
Reaktionsende oder untere Ende der Feder 74 liegt in Übereinanderlage
gegen die Oberseite der Schaltungsplatinenanordnung 64.
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Die Feder 74 spannt den
Stößel 68 nach oben
zu seiner Wegbegrenzung hin gegen die Unterseite 76 der
oberen Wand der Hülle 56 vor.
In der gegenwärtigen
praktischen Ausführung
der Erfindung ist die Federkonstante oder Federrate der Feder 74 ziemlich
gering mit Bezug auf die anderen Federn der Anordnung und dient
nur dazu, den Stößel zur
oberen Grenze seines Weges zurückzubringen.
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Der Stößel 68 hat einen sich
nach oben erstreckenden Vorsprung oder Zapfen 78, der sich
zum Äußeren der
Hülle 56 durch
eine Öffnung 80 erstreckt,
die in der oberen Wand 76 ausgebildet ist. Es wird verständlich sein,
dass der Zapfen 78 integral mit dem Stößel 76 in der gegenwärtig bevorzugten praktischen
Ausführung
ausgebildet ist; und der Zapfen 78 hat eine vorzugsweise
halbkreisförmige
Oberfläche 82,
die an seinem oberen Ende ausgebildet ist, die in Kontakt mit der
Nockenfläche 50 ist
und dieser folgt, die auf dem Kippelement 22 vorgesehen
ist (siehe 1).
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Mit Bezug auf 4 ist in dem hohlen zylindrischen Teil 72 des
Stößels 68 verschiebbar
eine im allgemeinen napfförmige
Betätigungsvorrichtung 84 aufgenommen,
die in ihrem Weg nach unten oder oben mit Bezug auf den Stößel 68 durch
eine gezahnte Oberfläche 86 eingeschränkt ist,
die an der Außenfläche davon
vorgesehen ist. Die gezahnte Oberfläche 86 rastet gegen
eine ringförmige
Schulter 88 ein; die am Inneren des zylindrischen Teils 72 des Stößels 68 ausgebildet
ist. Es wird klar sein, dass die Betätigungsvorrichtung 84 geschlitzt
ist, wie vom Bezugszeichen 90 bezeichnet, und zwar um den
Umfang herum, um ein radiales Zusammendrücken ihrer zylindrischen Wand
zu gestatten, um die Montage der gezahnten Oberfläche 86 in
dem Inneren des zylindrischen Teils 72 des Stößels 68 zu
gestatten.
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Eine Vorspannkraftfeder 94 ist
innerhalb des Stößels und
der Betätigungsvorrichtung 84 angeordnet,
und ihr oberes Ende liegt an der Unterseite 92 des oberen
Teils des Stößels 68 an.
Das gegenüberliegende
Gegenwirkungsende oder untere Ende der Feder 94 liegt an
der Innenseite des geschlossenen Endes der Betätigungsvorrichtung 84 an,
um die Betätigungsvorrichtung
nach unten oder in einer Richtung nach außen mit Bezug auf den Stößel 68 vorzuspannen.
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An der Unterseite des geschlossenen
Endes der Betätigungsvorrichtung 84 ist
ein Elastomerkissen 96 vorgesehen, welches daran durch
irgend welche geeigneten Mittel gesichert ist, wie beispielsweise
durch eine Klebeverbindung oder ein doppelseitiges Klebeband.
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In der gegenwärtigen praktischen Ausführung der
Erfindung hat das Kissen 96 eine Dicke von ungefähr 1 mm
und ist vorzugsweise aus Silikon-Elastomer
geformt und hat vorzugsweise eine Härte von ungefähr 65, gemessen
in einer Shore-A-Skala. Das Kissen 96 dient dazu, eine
elastische lastverteilende Oberfläche für den Kontakt mit der gedruckten
Leiterplattenanordnung 64 vorzusehen.
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Mit Bezug auf 5 weist die Leiterplattenanordnung 64 eine
gedruckte Leiterplatte 98 auf, die ein Paar von beabstandeten,
im allgemeinen parallelen, leitenden Streifen 100, 102 besitzt,
die darauf vorgesehen sind, wobei jeder davon in einer Schleife endet,
die jeweils mit 104, 106 bezeichnet wird. In jeder
der Schleifen 104, 106 ist jeweils durch eine Öffnung in
der Platte bzw. Platine 98 ein elektrischer Verbindungsstift
angeordnet, der jeweils mit 108, 110 bezeichnet
wird, der elektrisch mit der Schleife durch geeignete Mittel verbunden
ist, wie beispielsweise durch eine Lötstelle. Die Stifte 108, 110 erstrecken sich
jeweils nach unten durch die Leiterplatte 98 und sind in
rechten Winkeln ausgebildet, so dass sie sich durch eine elektrische
Aufnahme 112 erstrecken, die auf der Unterseite der Leiterplatte
durch Schrauben 114 gehalten wird, die durch die Platte
laufen, und diese sind so gezeigt, dass sie ihre Köpfe auf
der Oberseite der Platine 98 haben. Es wird klar sein, dass
die Stifte 108, 110 geeignet sind, um die Vorrichtung 116 mit
einer (nicht gezeigten) Schaltung zu verbinden, wie beispielsweise
mit einem Zweig einer Wheatston'schen
Brückenschaltung
durch eine äußere Verbindung
durch den Verbinder 112.
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Mit Bezug auf 5 ist eine kraft/druckansprechende Widerstandsvorrichtung 116 in
Form eines dünnen
Streifens vorgesehen, die die Kontakte 100, 102 überbrückt und
elektrisch damit verbunden ist. Bei der gegenwärtigen praktischen Ausführung der
Erfindung weist die Vorrichtung 116 eine dünne Lage
oder einen Streifen eines leitenden Materials auf, welches getrennt
von einer weiteren dünnen Lage
oder einem anderen Streifen eines leitenden Materials beabstandet
ist, und zwar mit einer übereinander
angeordneten Schicht eines Widerstandsmaterials darüber, so
dass ein gesteigerter Oberflächenkontaktdruck
darauf bewirkt, dass eine leitende Lage darauf aufgedruckt wird
und eine Verringerung des Widerstands bewirkt, der durch die Streifen 100, 102 gemessen
wird. Solche Vorrichtungen sind in der Technik wohlbekannt und werden
aus Druckwandlertinte bzw. Druckübertragungstinte
gebildet, die auf einem dielektrischen Material aufgetragen ist,
um eine dünne
streifenartige Widerstandsvorrichtung zu bilden.
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Mit Bezug auf die 1 bis 4 bewirkt
im Betrieb die Drehung des Kippelements 22 entweder in einer
Richtung im Uhrzeigersinn oder dagegen, dass die Nockenfläche 50 auf
dem Kippelement 22 gegen die Umfangsfläche 82 des Zapfens 78 und
des Stößels 68 wirkt,
um die Druckfeder 94 nach unten zu bewegen und die Vorspannung
des Elastomerkissens 96 gegen die kraftdruckempfindliche
Widerstandsvorrichtung 116 zu steigern. In der gegenwärtig bevorzugten
praktischen Ausführung
der Erfindung werden die Federraten oder Federkonstanten der Feder 94 so
ausgewählt,
dass sie höher
sind als von der Feder 74.
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In der bevorzugten praktischen Ausführung der
Erfindung ist die ausgefahrene Länge
der Unteranordnung 85 des Stößels 68, der Betätigungsvorrichtung 84 und
der Feder 94 derart, dass wenn die Unteranordnung 85 in
die Bohrung 70 der Hülle 56 eingeführt wird
und die Schaltungsplatine 98 angebracht ist, das Kisssen 96 nicht
gegen die Vorrichtung 116 mit irgend einer signifikanten
Kraft gedrückt
wird. Der Anwender nimmt somit durch Berührung eine Anforderung zur
Steigerung der Kraft wahr, um die Winkeldrehung des Kippelementes
zu steigern, und kann durch Berührung
die verschiedenen Rastpositionen der Ausnehmungen 47, 48, 49, 51 und 53 wahrnehmen.
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Die vorliegende Erfindung sieht somit
einen zuverlässigen,
einfach herzustellenden und relativ kostengünstigen Kipppositionswandler
vor, der eine kraftdruckempfindliche Widerstandsvorrichtung verwendet
und die Notwendigkeit eines Schiebekontaktes eliminiert.
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Die Erfindung ist mit Bezug auf eine
kraftdruckansprechende Widerstandsvorrichtung beschrieben und veranschaulicht
worden; es wird jedoch verständlich
sein, dass eine kraftdruckansprechende kapazitive Vorrichtung statt
der Vorrichtung 116 eingesetzt werden könnte, um die gleichen Ergebnisse
zu erhalten, wenn ein elektrisches Wechselstromsignal eingesetzt
wird.
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Obwohl die Erfindung hier mit Bezug
auf die veranschaulichten Ausführungsbeispiele
beschrieben worden ist, wird verständlich sein, dass an der Erfindung
Modifikationen und Veränderungen
vorgenommen werden können,
und dass diese nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt wird.