DE3706194A1 - Schalteinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur Auslösung elektrischer und/oder mechanischer Schaltfunktionen bei deren Betätigung.

Schalteinrichtungen, beispielsweise Druck-, Tast-, Tipp­ schalter usw., sind insbesondere dann, wenn sie in sicher­ heitskritischen Funktionen eingesetzt werden, selbst vor ihrem Einsatz hohen Sicherheitsstandards unterworfen, bevor sie eben für diese sicherheitskritischen Funktionen als einsetzbar beurteilt worden sind.

Trotz höchster Ansprüche in bezug auf ihren konstruktiven Aufbau zur Erreichung einwandfreier Schaltfunktionen kann es nicht ausgeschlossen werden, daß eine derartige Schaltein­ richtung im Einsatz funktionsuntüchtig wird, beispielsweise hervorgerufen durch einen Federbruch, und somit Schaltfunktionen ausgeübt werden, die unvorhersehbare negative Folgen haben können.

Bei Schalteinrichtungen dieser Art stellt sich aber auch oftmals noch ein anderes Problem, wenn sie in sicherheits­ kritischen Funktionen eingebaut sind und von dem Bediener, beispielsweise zur Vermeidung von Bedienungen der Schaltein­ richtung in vorgegebenen zeitlichen Abständen, manipuliert werden. Vielfach werden derartige Schalteinrichtungen, beispielsweise in Form von sogenannten Totmannschaltern, durch Klebeband, Büroklammern, Streichhölzer oder dgl. in ihrer aktiven Schaltposition festgeklemmt, so daß die eigentliche Funktion, nämlich das bewußte Betätigen der Schalteinrichtung in gewissen vorgegebenen Schaltintervallen entbehrlich ist. Derart manipulierte Schalteinrichtungen können jedoch ihre vorgegebene Aufgabe derart manipuliert nicht mehr erfüllen.

Zur Lösung des vorgenannten ersten Problems wurden die Schalteinrichtungen bisher überdimensioniert ausgebildet, um die Wahrscheinlichkeit des Eintritts von Fehlfunktionen während des Einsatzes zu vermindern oder es wurde ein redundantes System aus zwei oder mehr Schalteinrichtungen vorgesehen. Der Nachteil derartiger Maßnahmen liegt auf der Hand, da aufwendigere Konstruktionen ein höheres Gewicht und auch höhere Fertigungskosten nach sich ziehen, was gleicher­ maßen für den Einsatz redundanter Systeme gilt.

Das zweite vorgenannte Problem wurde dadurch zu lösen versucht, daß man die Schalteinrichtung konstruktiv so ausgestaltete, daß eine Manipulation durch Klebeband, Büroklammern oder dgl. erschwert wurde oder aber die Schalt­ einrichtung so eingebaut wurde, beispielsweise in eine Schalttafel, daß nur noch das reine Betätigungsorgan in einer Mulde zugänglich war.

Allen diesen Lösungsmöglichkeiten haften aber, wie erwähnt, irgendwelche Nachteile an, wobei hervorgehoben werden muß, daß dem Einfallsreichtum der Bedienungsperson in bezug auf die unerwünschte Manipulation der Schalteinrichtungen bisher kein wesentlicher Einhalt geboten werden konnte.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltein­ richtung zu schaffen, die einerseits höchsten Ansprüchen in bezug auf Funktionssicherheit genügt und leicht ist, die einfach im Aufbau und kostengünstig herstellbar ist und die eine Manipulierbarkeit durch die Bedienungsperson unmöglich werden läßt.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein mit einem Betätigungsorgan der Schalteinrichtung verbundenes Sensorelement, welches gesondert vom Betätigungsorgan die Betätigung der Schalteinrichtung durch eine Bedienungsperson erkennt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung liegt darin, daß gegenüber bisherigen Schalteinrichtungen kein größerer gesonderter konstruktiver Aufwand erforderlich ist, um deren Betriebssicherheit zu erhöhen. Der andere wesentli­ che Vorteil dieser Schalteinrichtung gegenüber bekannten liegt darin, daß eine Manipulierbarkeit der Schalteinrich­ tung nicht möglich ist, da das Sensorelement nur auf die unmittelbare Betätigung durch eine Person, d. h. durch einen Menschen, anspricht, so daß durch Festklemmen oder Festkle­ ben der Schalteinrichtung in ihrer schaltaktiven Stellung trotzdem keine Schaltfunktion ausgelöst werden kann.

Die Schalteinrichtung kann somit erkennen, ob die Betätigung tatsächlich durch einen Menschen erfolgt ist oder nicht.

Vorteilhafterweise ist die Schalteinrichtung in Form eines Schalters herkömmlicher Art ausgebildet, es sei jedoch darauf verwiesen, daß das erfindungsgemäße Prinzip gemäß der vorgenannten Lösung grundsätzlich auf jede beliebige Schalt­ einrichtung beliebiger Form übertragbar ist, beispielsweise auf Tippschalter, Tastschalter, Druckschalter oder dgl.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Sensorelement ein im Temperaturbereich des menschlichen Körpers arbeitendes thermisches Sensorelement vorgesehen. Dieses Sensorelement kann vorzugsweise ein Infrarotdetektor sein, das thermisch sensitive Sensorelement kann jedoch auch aus einem oder mehreren in einer Widerstandsbrücke zusammen­ geschalteten Thermowiderständen bestehen.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung wird das Sensorelement durch einen Kraftänderungsdetek­ tor gebildet, der eine Kraftänderung bei Betätigung des Betätigungsorgans der Schalteinrichtung durch die Bedie­ nungsperson erfaßt. Zu diesem Zweck ist der Kraftänderungs­ detektor vorteilhafterweise so eingestellt, daß er die Kraftänderung zwischen einem vorbestimmten Maximalwert und einem vorbestimmten Minimalwert erfaßt und nur dann schaltet bzw. eine Freigabeinformation liefert, wenn die aufgewandte Kraft in diesem vorbestimmten Kräfteintervall liegt oder aber die aufgewandten Kräfte zwischen diesen Minimal- und Maximalwerten pulsieren.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfin­ dung wird das Sensorelement durch einen den Piezo-Effekt ausnutzenden Sensor gebildet, d. h. der mechanische Druck auf den Sensor durch die Bedienungsperson gestattet dessen elektrische Messung bzw. Erfassung. Zu diesem Zweck eignen sich vorzugsweise sogenannte Piezo-Folien.

Von besonderem Vorteil ist es schließlich, daß die Schalt­ einrichtung eine mit der Sensoreinrichtung verbundene Detektoreinrichtung zur Erkennung des menschlichen Pulses umfaßt, mit der in Verbindung mit dem Sensor festgestellt werden kann, ob tatsächlich ein Mensch die Betätigungseinrichtung, an der der Sensor angebracht ist, bedient. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß die Schalt­ einrichtung selbst dann kein tatsächlich aktives Signal liefert, wenn sie durch Mittel betätigt wird, die sich zwar auf der Temperatur eines menschlichen Körpers befinden, jedoch nicht die Eigenschaften eines menschlichen Körpers in Form eines periodisch auftretenden Pulses aufweisen, dessen Taktfrequenz auf vorbestimmte Weise in der Detektoreinrich­ tung überprüft wird.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die einzige schematische Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehend beschrieben. Diese zeigt:

in geschnittener Darstellung den Bereich des Betätigungsorgans einer in Form eines herkömmli­ chen Schalters ausgebildeten Schalteinrichtung.

Die Schalteinrichtung 10 umfaßt im wesentlichen ein Betäti­ gungsorgan 11, das in Richtung des Pfeiles 16, d. h. in axialer Richtung der Achse 17 der Schalteinrichtung 10 durch eine Bedienungsperson zum Erreichen einer aktiven Schalt­ stellung in das Gehäuse 14 hineingedrückt wird. Dabei muß die von der Bedienungsperson aufgewandte Kraft so groß sein, daß die Gegenkraft der Feder 13, die auf bekannte Weise das Betätigungsorgan 11 in eine passive Schaltstellung treibt, überwunden wird.

Im Betätigungsorgan 11 ist ein Sensorelement 12 integriert, wobei hervorzuheben ist, daß die in der Zeichnung darge­ stellte Art der Anbringung des Sensorelementes 12 lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Grundsätzlich kann das Sensorelement 12 an beliebiger geeigneter Stelle am Betäti­ gungsorgan 11 der Schalteinrichtung 10 angeordnet sein, wenn sichergestellt ist, daß zwangsläufig beim Betätigen des Betätigungsorgans 11 durch die Bedienungsperson das Sensor­ element 12 berührt wird und so lange in Berührung mit der Bedienungsperson bleibt, so lange die Schalteinrichtung 10 aktiviert ist.

Das Sensorelement 12 ist über eine Leitung 15, die hier lediglich aus Vereinfachungsgründen in Form einer einfachen einzigen Leitung gezeichnet ist, mit einer Erkennungsschal­ tung verbunden, die hier nicht gesondert dargestellt ist.

Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung 10 kann nur dann tatsächlich eine aktive Schaltstellung einnehmen, wenn sowohl das Betätigungsorgan 11, wie bei konventionellen Schaltern oder Tastern üblich, in eine Endstellung einge­ drückt bzw. aus einer Endstellung herausgedrückt worden ist als auch vom Sensorelement 12 an die Erkennungsschaltung oder Einrichtung ein Signal geliefert worden ist, das aussagt, daß eine Bedienungsperson dieses Betätigungsorgan bzw. das darauf befindliche Sensorelement 12 gedrückt hat bzw. damit in Berührung gekommen ist, so daß einwandfrei feststeht, daß die Betätigung nicht durch mechanische Mittel ausgelöst worden ist. Es handelt sich somit praktisch um eine logische UND-Verknüpfung zwischen der vom Sensorelement 12 gelieferten Information und der von dem eigentlichen Schalter gelieferten Information, wenn dieser nach Betäti­ gung seine aktive Schaltstellung erreicht hat. Nur dann, wenn beide Informationen vorliegen, kann gemäß der UND-Ver­ knüpfung die tatsächliche Schaltfunktion ausgeübt werden.

Bei Nichterfüllung einer dieser beiden Bedingungen kann die Schalteinrichtung 10 selbst keine reale Schaltstellung einnehmen, d. h. beispielsweise Stromkreise oder dgl. nicht schließen.

Es versteht sich von selbst, daß beispielsweise dann, wenn die Schalteinrichtung 10 in Form eines Tippschalters ausge­ bildet ist, die aktive Schaltstellung eine Unterbrechung beispielsweise eines Stromkreises oder dgl. bewirkt. Auch dann ist mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung 10 eine Unterbrechung im Sinne der vorgenannten UND-Verknüpfung nur dann möglich, wenn vom Sensorelement 12 erkannt wird, daß eine Bedienungsperson das Betätigungsorgan 11 die Richtung des Pfeiles 16 eingedrückt hat.

Bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung 10 wird somit eine Funktions- und Betätigungsüberwachung erreicht, mit der selbst dann die Schalteinrichtung 10 keine reale aktive Stellung einnehmen kann, wenn beispielsweise aufgrund eines Bruchs der Feder 13 das Betätigungsorgan 11 nach dem Loslas­ sen nicht wieder in seine vorbestimmte Endstellung zurückge­ stellt wird, da die zweite Bedingung für die vorgenannte UND-Verknüpfung nicht mehr erfüllt ist, weil das Betäti­ gungsorgan 11 bzw. das Sensorelement 12 dann nicht von der Bedienungsperson berührt wird. Die Schalteinrichtung 10 bleibt demzufolge in bezug auf ihre Schaltfunktion passiv.

Das Sensorelement 12 kann grundsätzlich ein beliebiges geeignetes Sensorelement sein, daß auf beliebige geeignete Weise erkennt, daß es von einer Bedienungsperson, d. h. von einem Menschen, berührt worden ist. Vorteilhafterweise ist das Sensorelement doch durch ein im Temperaturbereich des menschlichen Körpers arbeitendes thermisches Sensorelement gebildet, d. h. es arbeitet im Bereich der Körpertemperatur von 25-40°C. Das Sensorelement 12 kann aber auch durch einen Infrarotdetektor gebildet werden, der die Strahlungs­ wärme des menschlichen Körpers erkennt. Auch kann das Sen­ sorelement 12 durch einen Kraftänderungsdetektor, der bei­ spielsweise Piezo-Folien verwendet, die beispielsweise die Pulswelle des Menschen messen können, gebildet werden. An das Sensorelement 12 ist somit lediglich die Forderung gestellt, daß es bei einer Betätigung des Betätigungsorgans 11, auf dem das Sensorelement 12 befestigt ist, unterschei­ den kann, ob das Betätigungsorgan 11 durch den Menschen betätigt wird oder nicht.

Es ist aber auch denkbar, daß die Schalteinrichtung 10 zur Ausführung einer Manipulation über das Betätigungsorgan 11 derart betätigt wird, daß zwar ein vorbestimmter Druck oder eine vorbestimmte Temperatur vom Sensorelement 12 erfaßt wird, die auf vorgegebene Weise dem Druck bzw. der Tempera­ tur eines Menschen entspricht, tatsächlich jedoch die Schalteinrichtung 10 nicht von einer Bedienungsperson betätigt wird, sondern diese vorgegebenen physikalischen Parameter nur zur Manipulation der Schalteinrichtung 10 simuliert werden. Um auch derartige raffinierte Manipula­ tionsvorhaben unterbinden zu können, kann die Schalteinrich­ tung 10 noch mit einer hier ebenfalls nicht gesondert dargestellten Detektoreinrichtung zur Erkennung des mensch­ lichen Pulses versehen sein. Der menschliche Puls, der beispielsweise zwischen 60-150 Pulsschlägen pro Minute liegt, kann in dieser Detektoreinrichtung als Vergleichspa­ rameter vorgegeben sein, wobei die Detektoreinrichtung die vom Sensorelement 12 kommenden Impulse der Bedienungsperson entsprechend seinen Impulsen auf die Detektoreinrichtung liefert. Diese Pulsfrequenz wird dann in der Detektorein­ richtung mit den vorgegebenen Pulsparametern verglichen und es wird nur dann von dieser Detektoreinrichtung ein Freiga­ besignal als zweite oder auch als dritte UND-Bedingung geliefert, wenn die vorgegebenen und tatsächlich erfaßten Pulsfrequenzen übereinstimmen. Das Sensorelement 12 kann dabei ebenfalls, wie vorangehend schon beschrieben, ein den Piezo-Effekt ausnützendes Element sein, es sind aber auch beliebige andere geeignete Pulserkennungselemente als Sensorelement 12 möglich.

Es sei hervorgehoben, daß das von der Detektoreinrichtung gelieferte Freigabesignal als zweite oder auch als weitere dritte UND-Bedingung zur Erzeugung eines aktiven Schaltsi­ gnals der Schalteinrichtung 10 herangezogen werden kann, beispielsweise wenn vom Sensorelement 12 neben der Tempera­ tur als zweite UND-Bedingung auch die Pulsfrequenz als dritte UND-Bedingung erfaßt bzw. erkannt werden muß.

Claims (9)

1. Schalteinrichtung zur Auslösung elektrischer und/oder mechanischer Schaltfunktionen bei deren Betätigung, gekennzeichnet durch ein mit einem Betätigungsorgan (11) der Schalteinrichtung (10) verbundenes Sensorele­ ment (12), welches gesondert vom Betätigungsorgan (11) die Betätigung der Schalteinrichtung (10) durch eine Bedienungsperson erkennt.

2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß diese aus einem Schalter besteht.

3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schalter ein Tippschalter ist.

4. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schalter ein Druckschalter ist.

5. Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorele­ ment (12) ein im Temperaturbereich des menschlichen Körpers arbeitendes thermisches Sensorelement ist.

6. Schalteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sensorelement (12) durch einen Infrarotde­ tektor gebildet wird.

7. Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorele­ ment (12) durch einen Kraftänderungsdetektor gebildet wird.

8. Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorele­ ment (12) durch einen den Piezo-Effekt ausnutzenden Sensor gebildet wird.

9. Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine mit der Sensoreinrichtung (12) verbundene Detektoreinrich­ tung zur Erkennung des menschlichen Pulses umfaßt.