DE4237928A1 - Mikroschalter mit einem Magnetfeld-Sensor - Google Patents
Mikroschalter mit einem Magnetfeld-SensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Mikroschalter mit einem Mag
netfeld-Sensor und einer Schalteinrichtung, die entspre
chend der magnetischen Induktion am Magnetfeld-Sensor
ihren Schaltzustand ändert, sowie mit zwei Dauermagneten,
wobei der Magnetfeld-Sensor im Grenzbereich der von bei
den Dauermagneten erzeugten Magnetfelder angeordnet ist.
Aus der US-PS 3 226 631 ist bereits ein Magnetfeld-Schal
ter bekannt, bei dem zwei mit ihren Achsen parallel an
geordnete Dauermagneten mit jeweils einem gleichnamigen
Pol über ein Joch verbunden sind, während die beiden ande
ren, ebenfalls gleichnamigen Pole jeweils einen Polschuh
tragen, wobei die freien Enden der Polschuhe einen Spalt
bilden, in welchem ein Magnetfeld-Sensor angeordnet ist.
Wird über den Spalt ein ferromagnetischer Auslösekörper,
beispielsweise eine Eisenschiene, bewegt, wird dies über
den Magnetfeld-Sensor erfaßt und ausgewertet. Allerdings
ist der dortige Aufbau für einen Mikroschalter zu aufwen
dig und zu groß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mikro
schalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit
möglichst wenigen und möglichst kleinen Bauteilen einfach
aufgebaut ist und eine sichere Betätigung ermöglicht, ohne
gegen unerwünschte Fremdeinflüsse empfindlich zu sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Mikroschalter
gelöst, bei dem die beiden säulenförmigen Dauermagneten
koaxial zueinander und mit jeweils gleichnamigen Polen
einander zugewandt unter Bildung eines Luftspaltes ange
ordnet sind, wobei in dem Luftspalt der Magnetfeld-Sen
sor fest angeordnet ist.
Die Aufgabe wird auch durch einen Mikroschalter gelöst,
bei dem die beiden säulenförmigen Dauermagneten koaxial
zueinander und mit jeweils ungleichnamigen Polen einander
zugewandt unter Bildung eines Luftspaltes angeordnet sind,
wobei in dem Luftspalt der plättchenförmige Magnetfeld-
Sensor in Axialrichtung fest angeordnet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Schalter sind also die beiden
Dauermagneten unmittelbar übereinander so angeordnet, daß
sie selbst den Luftspalt für den Magnetfeld-Sensor bil
den, so daß zusätzliche Joche oder Polschuhe nicht er
forderlich werden. Für die Anordnung können kleine,
beispielsweise runde Magneten verwendet werden, so daß
sich insgesamt ein Schalter mit sehr kleinem Volumen bil
den läßt.
In einer Ausgestaltung des Schalters sind die beiden
Dauermagneten in einem festen Abstand zueinander angeord
net, wobei der Magnetfeld-Sensor in dem Luftspalt eben
falls in fester Beziehung zu beiden Dauermagneten der
art fixiert ist, daß die magnetische Induktion am Magnet
feld-Sensor im Ruhezustand auf einen festen Wert einge
stellt ist und bei Annäherung eines ferromagnetischen
Auslösekörpers an einen vom Magnetfeld-Sensor abgewandten
Pol eines der Dauermagneten, oder an eine der zur Axial
richtung parallelen Seiten der Dauermagneten, eine gegen
über dem Ruhezustand veränderte, über die Schalteinrich
tung auswertbare Größe annimmt.
Die Anordnung des Magnetfeld-Sensors ist somit getrennt
von dem Schaltbereich für den Auslösekörper an einem der
außenliegenden Dauermagnetpole. Auch hierdurch wird ein
besonders einfacher Aufbau des Schalters ermöglicht.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist es auch
möglich, daß ein erster der beiden Dauermagneten zusammen
mit dem Magnetfeld-Sensor in fester Zuordnung fixiert
ist und daß der zweite Dauermagnet in Axialrichtung ver
schiebbar geführt und durch eine Rückstellkraft in
eine von dem Magnetfeld-Sensor entfernte Ruhestellung
vorgespannt ist, wobei in der Ruhestellung eine am Ma
gnetfeld-Sensor wirksame magnetische Induktion auswertbar
ist und bei Verschiebung des zweiten Dauermagneten ent
gegen der Rückstellkraft in eine Arbeitsstellung am Ma
gnetfeld-Sensor die gemessene Induktion um einen auswert
baren Betrag verringert wird. Dabei erhält man eine
besonders einfache Konstruktion, wenn die magnetische
Abstoßung zwischen beiden Dauermagneten als Rückstell
kraft verwendet wird. Der zweite Dauermagnet kann dabei
mit einem im Gehäuse axial geführten Betätigungsstößel aus
nicht-ferromagnetischem Material verbunden sein.
Als Magnetfeld-Sensor kann je nach den Anwendungsbedingun
gen ein Magnetfeld-Sensor oder ein Magnetoresistor (eine
Feldplatte) Verwendung finden. Auch andere magnetfeldemp
findliche Elemente, wie Magnetfelddioden und dergleichen
sind denkbar.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform eines Mikroschalters mit zwei Dauermagne
ten, einem Magnetfeld-Schaltkreis und einem Auslösekörper,
Fig. 2 eine Kurve zur Darstellung eines beispielhaften
Verlaufs der magnetischen Induktion am Magnetfeld-Sensor
in Abhängigkeit vom Abstand eines Auslösekörpers gemäß
Fig. 1,
Fig. 3 den konstruktiven Aufbau eines Mikroschalters mit
einem Magnetfeld-Sensor in einem Gehäuse,
Fig. 4 ein Funktionsschaltbild eines integrierten Schalt
kreises mit Magnetfeld-Sensor und Auswerteschaltung,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Mikroschalters
mit einem Magnetfeld-Sensor und einem beweglichen
Dauermagneten,
Fig. 6 eine Kurve für einen beispielhaften Verlauf der
magnetischen Induktion am Magnetfeld-Sensor in einer
Anordnung gemäß Fig. 5.
Fig. 7 bis 12 den grundsätzlichen Aufbau weiterer Aus
führungsformen eines erfindungsgemäßen Mikroschalters.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines Mikroschal
ters mit Magnetfeld-Effekt. Dabei sind zwei Dauermagneten
1 und 2, die beispielsweise zylinderförmig oder auch qua
derförmig sein können, koaxial mit entgegengesetzten Po
larisierungsrichtungen übereinander angeordnet, so daß
gleichnamige Pole, im Beispiel die Nordpole N, einander
zugewandt sind. Zwischen den beiden Dauermagneten 1 und
2 ist ein Luftspalt 3 gebildet, in welchem ein Ma
gnetfeld-Sensor 4 als Teil eines eine Auswerteschaltung
enthaltenden Magnetfeld-Chips 5 angeordnet ist. Der
Magnetfeld-Sensor 4 befindet sich dabei genau oder zu
mindest annähernd in der neutralen Zone zwischen den
beiden Dauermagneten. Die Flüsse von den gleichnamigen
Polen der beiden Magneten stoßen einander ab, so daß der
Magnetfeld-Sensor keine magnetische Induktion erfährt.
Wird jedoch ein ferromagnetischer Auslösekörper 6 an einen
der außenliegenden Pole, im Beispiel an einen der Südpole
S, angenähert, so wird das Gleichgewicht der Magnetfelder
gestört; am Magnetfeld-Sensor tritt eine meßbare magneti
sche Induktion auf. Diese wird zum Umschalten einer im
Magnetfeld-Chip 5 enthaltenen Auswerteschaltung genutzt.
Eine integrierte Schaltung in Form eines Magnetfeld-Chips
5 mit einem Magnetfeld-Sensor 4, einer Schwellenwert
schaltung (einem Schmitt-Trigger) 41 und einem Halblei
terschalter 42 ist beispielshalber in Fig. 4 gezeigt.
Derartige Magnetfeld-Sensor sind handelsüblich. Der dar
gestellte Chip 5 besitzt in der Regel drei Anschlußfahnen,
nämlich einen Versorgungsanschluß 51, einen Masseanschluß
52 und einen Signalausgangsanschluß 53.
Fig. 2 zeigt, lediglich beispielhaft, den Verlauf b1 der
magnetischen Induktion am Magn-Sensor 4 in Fig. 1 in Ab
hängigkeit vom Abstand z des Auslösekörpers 6 vom Dauerma
gneten 2. Daraus ist ersichtlich, daß bei Verringerung des
Abstandes z die magnetische Induktion B ansteigt. Bei dem
gezeigten Beispiel liegt die Schaltschwelle des Hall-IC′s
5 bei 150 G, entsprechend einem Abstand z von annähernd
1,5 mm. Die Ausschaltschwelle liegt dagegen aufgrund der
Hysterese im Schwellenwertschalter 41 bei etwa 100 G, ent
sprechend einem Abstand z von etwa 2,2 mm. Dies sind le
diglich Zahlenangaben eines ganz bestimmten Ausführungs
beispiels; je nach den Kennwerten des verwendeten Hall-
IC′s und der übrigen Teile variieren natürlich auch diese
Schwellenwerte.
In Fig. 3 ist ein möglicher konstruktiver Aufbau für ei
nen erfindungsgemäßen Schalter gezeigt. Dabei ist eine
Leiterplatte 7 vorgesehen, welche den Hall-IC 5 trägt. Auf
der Leiterplatte sind weitere Bauelemente, beispielsweise
ein Widerstand 8 und ein Kondensator 9, andeutungsweise
gezeigt. Diese dienen beispielsweise zur Sicherung des
Hall-IC′s 5 gegen Überspannungen. Die Leiterplatte mit ih
ren Bauteilen ist in einem in den Umrissen angedeuteten
Gehäuse 10 untergebracht, wobei die Innengestaltung des
Gehäuses mit entsprechenden Abstützungen und Führungen
nicht gezeigt ist. Die beiden Dauermagneten 1 und 2 sind
ebenfalls in dem Gehäuse in entsprechenden, nicht darge
stellten Führungen angeordnet, wobei sie vorzugsweise mit
Preßsitz in einem Führungskanal so angeordnet sind, daß
sie zur Justierung verschoben werden können. Nach der Ju
stierung kann die Leiterplatte mit den Dauermagneten bei
spielsweise im Gehäuse fest verschlossen, vorzugsweise
vergossen werden.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen er
findungsgemäßen Mikroschalter. In diesem Fall ist der
Dauermagnet 1 mit dem darüberliegenden Hall-IC 5 fest in
einem Gehäuse 11 angeordnet, während der zweite Dauerma
gnet 2 in einer Gehäuseführung 12 axial verschiebbar ange
ordnet ist. Der Dauermagnet 2 ist mit einem Schaltstößel
13 aus-nicht ferromagnetischem Material versehen, der von
außen betätigbar ist. Da die beiden Nordpole N der Dauer
magneten 1 und 2 einander zugewandt sind, stoßen sich die
beiden Magnete ab, so daß der Dauermagnet 2 mit dem
Schaltstößel 13 im Ruhezustand an einem oberen Gehäusean
schlag 14 liegt. Wird der Schaltstößel zur Betätigung nach
unten bewegt, verändert sich die magnetische Induktion an
dem Magnetfeld-Sensor 4, was wiederum als Schaltsignal
auswertbar ist.
Fig. 6 zeigt den Verlauf der magnetischen Induktion an
einer beispielhaften Kurve b5 in Abhängigkeit vom Weg des
Schaltstößels in Richtung y. Da der Dauermagnet 2 im Ruhe
zustand weiter vom Magnetfeld-Sensor 4 entfernt ist
als der Dauermagnet 1, wird im Ruhezustand, d. h. bei y =
0, eine magnetische Induktion B0 gemessen. Während der
Bewegung des Schaltstößels 13 und des Dauermagneten 2
nach unten verringert sich diese magnetische Induktion
entsprechend der Kurve b5, bis die Einschaltschwelle B1 an
dem Punkt y1 erreicht ist. Wird der Schaltstößel los
gelassen, so daß der Dauermagnet 2 aufgrund der magneti
schen Abstoßung sich wieder nach oben bewegt, erreicht er
die Ausschaltschwelle mit dem Induktionswert B2 an der
Wegstelle y2. Auch in diesem Fall wird also durch die
Hysterese sichergestellt, daß der Einschaltpunkt und der
Ausschaltpunkt in einem gewissen Abstand voneinander
liegen, um jeweils einen eindeutig definierten Schalt
zustand zu gewährleisten.
Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere mögliche Anordnung
eines Mikroschalters mit Hall-Effekt. Im Unterschied zur
Fig. 1 wird der Auslösekörper 6 nicht an einen der außen
liegenden Pole, sondern an eine zur Axialrichtung paralle
le Seite eines der beiden Dauermagneten angenähert. Die
aktive Flache, über die das Gleichgewicht der Magnetfelder
gestört wird, befindet sich in diesem Fall, ebenso wie bei
den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 8 und 9, nicht an der
Polfläche, sondern seitlich am Magneten. In Fig. 8 ist der
plättchenförmige Magnetfeld-Sensor 4 in Axialrichtung zwi
schen gleichnamigen Polen der beiden Dauermagneten ange
ordnet. Bei dieser Ausrichtung des Sensors wird dieser
oben und unten symmetrisch von Flußlinien durchflossen.
Durch Annäherung des Auslöseteils 6 an eine Seite eines
der Magneten wird dieses Gleichgewicht gestört.
Fig. 9 zeigt eine alternative Anordnung, bei der der Sen
sor in Axialrichtung zwischen ungleichnamiger Polen an
geordnet ist und der Auslösekörper 6 seitlich angenähert
wird. Bei dieser Ausrichtung befindet sich der Sensor
nicht in der Front zwischen zwei gegeneinander gerichteten
Magnetfeldern, sondern er ist tangential zu den Magnet
flußlinien ausgerichtet. Durch asymmetrische Änderung
durch das umliegende Medium mittels des Auslösekörpers 6
verziehen sich, analog wie bei den anderen Ausführungs
beispielen, die Feldlinien und laufen nicht mehr mit dem
Sensor parallel. Nur die dabei entstehende, senkrecht auf
dem Sensor stehende Magnetflußkomponente wird vom Sensor
wahrgenommen und ausgewertet.
Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, daß der Fluß
durch den Sensor im Ruhezustand gleich oder nahe Null ist.
Die Anordnung kann beispielsweise auch derart gewählt
sein, daß im Ruhezustand ein Fluß von 80 G durch den Sen
sor fließt, der sich bei Betätigung erhöht, bis die
Schaltschwelle von beispielsweise 100 G überschritten
wird. Umgekehrt kann von der Anwendung her auch eine An
ordnung vorteilhaft sein, bei der der Fluß zunächst über
der Schaltschwelle liegt und durch die Annäherung des
Auslösekörpers unter die Schaltschwelle gezogen wird.
Weiter Ausführungsformen sind in den Fig. 10 bis 12
dargestellt. Die Anordnung gemäß Fig. 10 funktioniert
analog der Anordnung in Fig. 8, wobei in Fig. 10 jedoch
ein radial aufmagnetisierter Magnet verwendet ist. Fig.
11 zeigt eine Anordnung wie Fig. 10, jedoch mit verein
fachter Aufmagnetisierung. Fig. 12 zeigt eine Anordnung
nach dem gleichen Prinzip wie in den Fig. 10 und 11,
jedoch mit nur einem, in zwei gegenübergestellten Rich
tungen aufmagnetisierten Magneten.
Die in den Ausführungsbeispielen verwendeten IC′s können
nicht nur einen, sondern auch zwei aktive Bereiche haben
(unipolares IC mit 2 Ausgängen), oder als Latch funktio
nieren (bipolares IC).
Claims (9)
1. Mikroschalter mit einem Magnetfeld-Sensor (4) und
einer Schalteinrichtung (41, 42), die entsprechend der
magnetischen Induktion am Magnetfeld-Sensor ihren Schalt
zustand ändert, sowie mit zwei Dauermagneten (1, 2), wobei
der Magnetfeld-Sensor (4) im Grenzbereich der von beiden
Dauermagneten erzeugten Magnetfelder angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden säulenförmigen Dauermagneten (1, 2) koaxial zu
einander und mit jeweils gleichnamigen Polen einander zu
gewandt unter Bildung eines Luftspaltes (3) angeordnet
sind und daß in dem Luftspalt (3) der Magnetfeld-Sensor
(4) fest angeordnet ist.
2. Mikroschalter mit einem Magnetfeld-Sensor (4) und
einer Schalteinrichtung (41, 42), die entsprechend der
magnetischen Induktion am Magnetfeld-Sensor ihren Schalt
zustand ändert, sowie mit zwei Dauermagneten (1, 2), wobei
der Magnetfeld-Sensor (4) im Grenzbereich der von beiden
Dauermagneten erzeugten Magnetfelder angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden säulenförmigen Dauermagneten (1, 2) koaxial zu
einander und mit jeweils ungleichnamigen Polen einander
zugewandt unter Bildung eines Luftspaltes (3) angeordnet
sind und daß in dem Luftspalt (3) der plättchenförmige
Magnetfeld-Sensor (4) in Axialrichtung fest angeordnet ist.
3. Mikroschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Dauermagneten (1, 2) in einem festen Abstand
zueinander angeordnet sind und daß der Magnetfeld-Sensor
(4) in dem Luftspalt (3) ebenfalls in fester Beziehung zu
beiden Dauermagneten derart fixiert ist, daß die magne
tische Induktion am Magnetfeld-Sensor im Ruhezustand auf
einen festen Wert eingestellt ist und bei Annäherung eines
ferromagnetischen Auslösekörpers (6) an einen vom Ma
gnetfeld-Sensor abgewandten Pol (S) eines der Dauermagne
ten (2) eine gegenüber dem Ruhezustand veränderte, über
die Schalteinrichtung (41, 42) auswertbare Größe annimmt.
4. Mikroschalter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Dauermagneten (1, 2) in einem festen Abstand
zueinander angeordnet sind und daß der Magnetfeld-Sensor
(4) in dem Luftspalt (3) ebenfalls in fester Beziehung zu
beiden Dauermagneten derart fixiert ist, daß die magne
tische Induktion am Magnetfeld-Sensor im Ruhezustand auf
einen festen Wert eingestellt ist und bei Annäherung eines
ferromagnetischen Auslösekörpers (6) an eine zur Axialrichtung
parallele Seite eines der Dauermagneten (2) eine
gegenüber dem Ruhezustand veränderte, über die Schalt
einrichtung (41, 42) auswertbare Größe annimmt.
5. Mikroschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein erster der beiden Dauermagneten (1) zusammen mit
dem Magnetfeld-Sensor (4) in fester Zuordnung fixiert ist
und daß der zweite Dauermagnet (2) in Axialrichtung ver
schiebbar geführt und durch eine Rückstellkraft in eine
von dem Magnetfeld-Sensor entfernte Ruhestellung (14)
vorgespannt ist, wobei in der Ruhestellung eine am
Magnetfeld-Sensor wirksame magnetische Induktion aus
wertbar ist und bei Verschiebung des zweiten Dauermagneten
(2) entgegen der Rückstellkraft in eine Arbeitsstellung am
Magnetfeld-Sensor die gemessene Induktion um einen
auswertbaren Betrag verringert wird.
6. Mikroschalter nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetische Abstoßung zwischen beiden Dauermagneten
(1, 2) als Rückstellkraft verwendet wird.
7. Mikroschalter nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der
zweite Dauermagnet (2) mit einem in einem Gehäuse (11)
geführten Betätigungsstößel (13) aus nicht ferromagne
tischem Material verbunden ist.
8. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Magnetfeld-Sensor jeweils ein Hall-Sensor
verwendet ist.
9. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Magnetfeld-Sensor ein Magnetoresistor verwendet
ist.
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