DE19902258A1 - Näherungsschalter mit magnetfeldempfindlichem Sensor - Google Patents

Abstract

Die einen magnetfeldempfindlichen Sensor, z. B. Hall-Sensor (2), auslösende Magnetanordnung (1) hat auf der dem Sensor zugewandten Seite eine Vielzahl alternierend angeordneter magnetischer Polzonen. Durch die geringe Feldstärkeänderung in die Richtungen Radial (5 und 7) zur Hauptachse (4) und starke Feldstärkenänderung in Richtung der Hauptachse (4) werden kurze Schaltwege und geringe Empfindlichkeiten gegenüber Lagetoleranzen realisiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Näherungsschalter mit einer Per­ manentmagnetanordnung und einem magnetfeldempfindlichem Sen­ sor, die relativ zueinander bewegt werden, und ein Ausgangs­ signal erzeugen.

Derartige Näherungsschalter sind allgemein bekannt und erset­ zen insbesondere bei Kfz-Anwendungen zunehmend konventionelle mechanische Schalter. Diese berührungslosen Näherungsschalter sind mit einem magnetfeldempfindlichem Sensor, beispielsweise einem Hall-Sensor oder einem Magnetoresistor, ausgestattet. Hall-Sensoren nehmen nur die senkrecht zur Sensoroberfläche verlaufende Komponente eines Magnetfeldes wahr. Durch diese Feldkomponente wird der Konstantstrom beeinflußt, und der Sensor liefert eine auswertbare Hall-Spannung, die proportio­ nal zur Normalkomponente des anliegenden Magnetfeldes ist. Hall-Sensoren werden gegenwärtig zweckmäßigerweise in Form eines integrierten Schaltkreises verwendet, der neben dem Hall-Sensor eine zur Auswertung der Hallspannung geeignete Schaltung enthält. Magnetfeldempfindliche Sensoren werden meist als duale Schalter mit zwei Schaltpunkten eingesetzt, die durch Aufbau, Verstärkung oder Richtungsänderung eines Magnetfeldes ausgelöst werden.

Dieses Magnetfeld wird üblicher Weise von einem zweipoligen Dauermagneten erzeugt, dessen Magnetfeldstärke mit dem Ab­ stand abnimmt. Eine Relativbewegung zwischen dem Dauermagne­ ten und dem Hall-Sensor wird aufgrund der Änderung des Ma­ gnetfeldes am Ort des Hall-Sensors durch die Änderung der Hall-Spannung angezeigt.

Die Relativbewegung erfolgt entlang eines Schaltweges, der einen beliebigen Winkel zur Oberfläche des magnetfeldempfind­ lichen Sensors haben kann. Üblicherweise liegt der Schaltweg rechtwinklig oder parallel zur Oberfläche des magnetfeldemp­ findlichen Sensors.

Ein Nachteil einer derartigen Vorrichtung ist, daß die Stärke des erzeugten Feldes am Ort des Hall-Sensors auch bei langen Schaltwegen nur gering abnimmt. Deshalb ist bei kleinen Schaltwegen ein exaktes Auslösen kaum möglich. Lange Schalt­ wege und hohe Schaltpunkttoleranzen sind somit in Kauf zu nehmen.

Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung ist, daß sich der Feldlinienverlauf des zweipoligen Dauermagneten radial zur Magnetisierungsrichtung stark ändert. Eine Lageänderung des Magneten in Radialrichtung verändert häufig die Ausgangsspan­ nung des Hall-IC, und wird als Abstandsänderung zwischen Dau­ ermagnet und magnetfeldempfindlichem Sensor interpretiert. Die Radialtoleranzen einer Führungsvorrichtung, die nur eine definierte Relativbewegung zwischen Dauermagnetanordnung und magnetfeldempfindlichem Sensor entlang des Schaltweges er­ laubt, müssen daher durch aufwendige konstruktive Maßnahmen eingeengt werden.

Ferner sind Vorrichtungen bekannt, bei denen die Anwesenheit eines ferromagnetischen Objekts dadurch detektiert wird, daß ein Magnetfeld, das zwischen einem stationären Hall-Sensor und einem ebenso stationären Dauermagneten aufgebaut ist, in Stärke und Ausrichtung durch das ferromagnetischen Objekt verändert wird. Durch Relativbewegung zwischen dem ferroma­ gnetischen Objekt einerseits und der stationären Hall-Sensor Vorrichtung mit daneben befindlicher Dauermagnetanordnung an­ dererseits ändert sich der Feldlinienverlauf des Magnetfel­ des. In der US 5,781,005 ist ein derartiger Näherungssensor für ferromagnetische Objekte beschrieben, bei dem die statio­ näre Dauermagnetanordnung aus einem magnetischen Pol auf ei­ ner Magnetfläche besteht, der eine Achse bildet, mit entge­ gengesetzten magnetischen Polen auf zumindest beiden Seiten der Achse (N-S-N oder S-N-S).

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Näherungsschalter mit magnetfel­ dempfindlichem Sensor zu schaffen, der sich sowohl durch kur­ ze Schaltwege, als auch durch eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Lagetoleranzen auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf der dem magnetfeldempfindlichen Sensor zugewandten Seite der Permanentmagnetanordnung eine Vielzahl alternierend angeord­ neter magnetischer Polzonen ausgebildet sind.

Durch diese Gestaltung wird eine hohe Feldliniendichte auf der dem magnetfeldempfindlichen Sensor zugewandten Seite er­ reicht. Die Feldlinien sind im Bereich dieser Seite stark ge­ krümmt, kurz und örtlich begrenzt, dä die Feldlinien zwischen benachbarten Polen verlaufen. Weil der Hall-Sensor nur auf Feldkomponenten senkrecht zur Sensorfläche reagiert, nimmt das vom Sensor detektierte Feld bereits nahe der Oberfläche stark ab. Kurze Schaltwege sind somit realisierbar.

Weitere Ausführungsbeispiele und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter;

Fig. 2, 3 und 5 Ausführungsformen verwendbarer Permanent­ magnetanordnungen; und

Fig. 4 magnetische Feldlinien, wie sie bei einer Permanentmagnetanordnung aus Fig. 1, 2 oder 3 erzeugt werden.

Fig. 6 magnetische Feldlinien, wie sie bei einer Permanentmagnetanordnung aus Fig. 5 er­ zeugt werden.

In der Fig. 1 ist eine aus drei Dauermagneten zusammenge­ setzte Dauermagnetanordnung 1 und ein Hall-IC 2 gezeigt, die beim Schaltvorgang längs des Schaltweges relativ zueinander bewegt werden. Der Schaltweg verläuft vorzugsweise entlang einer Hauptachse 4 rechtwinkelig zur magnetfeldempfindlichen Sensoroberfläche 3 entlang der Magnetisierungsrichtung 6 der Dauermagnete. Jede andere Relativbewegung der beiden Bauteile zueinander ist jedoch auch denkbar, beispielsweise in radia­ ler Richtung 5 und 7 zur Magnetisierungsrichtung 6. Bei Annä­ herung des Magnetfeldes an die magnetfeldempfindliche Senso­ roberfläche 3 liefert der Hall-Sensor im Hall-IC 2 eine stei­ gende Hall-Spannung. Der Hall-IC 2 wird als dualer Schalter verwendet, der bei Über- bzw. Unterschreiten einer definier­ ten Hall-Spannung schaltet und ein elektrisches Ausgangs­ signal liefert.

Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Permanentma­ gnetanordnung 1, bei der Dauermagnete in Sandwichbauweise ne­ beneinander angeordnet sind. Die Magnetisierungsrichtungen der Dauermagnete liegen parallel zueinander.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Permanentmagnetanord­ nung ist besonders einfach aufgebaut, da drei gleiche Dauer­ magnete verwendet werden, die miteinander verklebt sind.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform der Perma­ nentmagnetanordnung 1 veranschaulicht, bei der die Dauerma­ gnete koaxial ineinandergesteckt angeordnet sind. Ein dauer­ magnetischer Vollzylinder wird in einen dauermagnetischen Hohlzylinder paßgenau eingesteckt und verbunden. Dem Hall- Sensor 2 ist eine Zylinderdeckfläche 10 zugewandt, die aus einem inneren Kreis mit einer magnetischen Polung und einem den Kreis umgebenden Kreisring mit entgegengesetzter magneti­ scher Polung besteht. Dadurch ist eine größtmögliche Symme­ trie des Magnetfeldes erreicht, wodurch die Schaltpunkte bei einer Relativbewegungen in jede radiale Richtung 5 und 7 zur Magnetisierungsrichtung 6 in gleichem Abstand zur Hauptachse 4 liegen.

In Fig. 4 sind Feldlinien 11 gezeigt, wie sie in Schnittdar­ stellung bei den Ausführungsformen der Permanentmagnetanord­ nung 1 entsprechend Fig. 1, 2 und 3 auftreten. Auf der dem magnetfeldempfindlichen Sensor zugewandten Seite wird eine hohe Feldliniendichte erreicht. Die Feldlinien sind im Be­ reich der Fläche stark gekrümmt, kurz und örtlich begrenzt, da die Feldlinien zwischen benachbarten Polen verlaufen. Weil der Hall-Sensor nur auf Feldkomponenten senkrecht zur Sensor­ fläche reagiert, nimmt das vom Sensor detektierte Feld be­ reits nahe der Oberfläche stark ab. Kurze Schaltwege sind so­ mit realisierbar.

In Fig. 5 ist eine Permanentmagnetanordnung gezeigt, die aus einem einstückigen, mindestens dreipoligen Dauermagneten 8 besteht. Vorteil dieser Ausgestaltung ist, daß die Permanent­ magnetanordnung nicht aus mehreren Einzelmagneten zusammenge­ setzt wird, sondern aus einem Stück besteht.

In einer Ausgestaltungsvariante kann die Aufmagnetisierung so erfolgen, daß die Magnetpole ausschließlich auf der dem ma­ gnetfeldempfindlichen Sensor zugewandten Seite vorhanden sind. Vorteil dieser Ausgestaltung ist, daß das Magnetfeld räumlich begrenzt ist, und dadurch störende Einflüsse auf be­ nachbarte Bauelemente vermieden werden. Der Verlauf der Ma­ gnetfeldlinien einer solchen Permanentmagnetanordnung ist in Fig. 6 dargestellt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die der Sensoro­ berfläche 3 zugewandten Seite der Permanentmagnetanordnung 1 eine ungerade Anzahl an Magnetpolen auf, um durch symmetri­ schen Aufbau des magnetischen Feldes symmetrische Lagetole­ ranzempfindlichkeit zu gewährleisten.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgese­ hen werden, daß der mittlere Magnetpol in seiner Längs- und Querabmessung in die radialen Richtungen 5 und 7 stets größer als die magnetfeldempfindliche Oberfläche 3 des Sensors plus der vorhandenen Lagetoleranz in Längs- und Querrichtung 5 und 7 ist. Die Mindestgröße des mittleren Magneten wird in diesem Fall durch die Größe der magnetfeldempfindlichen Oberfläche 3 des Hall-IC 2 bestimmt.

Bei dieser Anordnung verlaufen die Magnetfeldlinien in einem Bereich größer als der magnetfeldempfindliche Bereich des Hall-IC senkrecht zur Oberfläche der Magnetanordnung, wodurch die Führungsvorrichtung, die nur eine definierte Relativbewe­ gung zwischen Dauermagnetanordnung und magnetfeldempfindli­ chem Sensor entlang des Schaltweges erlaubt, mit größeren Toleranzen, und dadurch billiger hergestellt werden kann.

Claims (7)

1. Näherungsschalter mit einem magnetfeldempfindlichem Sensor (2) und einer relativ dazu beweglichen Permanentmagnetanord­ nung (1) zur Erzeugung eines Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem magnet­ feldempfindlichen Sensor (2) zugewandten Seite der bewegli­ chen Permanentmagnetanordnung (1) eine Vielzahl alternierend angeordneter magnetischer Polzonen ausgebildet ist.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagne­ tanordnung (1) aus mindestens drei in Sandwichbauweise mit­ einander verklebten Dauermagneten besteht.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagne­ tanordnung (1) aus einem einstückigen und mindestens dreipo­ ligen Dauermagneten (8) besteht.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der einstückige und mindestens dreipolige Dauermagnet (8) derart magnetisiert ist, daß Magnetpole ausschließlich auf der dem magnetfeldemp­ findlichen Sensor zugewandten Seite vorhanden sind.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagne­ tanordnung (1) aus koaxial ineinandergesteckten Dauermagneten (9) besteht.

6. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Magnet­ pol in seiner Längs- und Querabmessung in die Richtungen ra­ dial zur Magnetisierungsrichtung (6 und 7) stets größer als die magnetfeldempfindliche Oberfläche (3) des magnetfeldemp­ findlichen Sensors (2) plus der vorhandenen Lagetoleranz in die Längs- und Querrichtung (6 und 7) radial zur Hauptachse (4) ist.

7. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole auf der dem magnetfeldempfindlichen Sensor (2) zugewandten Seite der Permanentmagnetanordnung (1) symmetrisch zur deren Hauptachse (4) angeordnet sind.