WO2005036195A1 - Berührungsloser näherungsdetektor, insbesondere für ferromagnetische bauteile - Google Patents

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WO2005036195A1
WO2005036195A1 PCT/CH2004/000587 CH2004000587W WO2005036195A1 WO 2005036195 A1 WO2005036195 A1 WO 2005036195A1 CH 2004000587 W CH2004000587 W CH 2004000587W WO 2005036195 A1 WO2005036195 A1 WO 2005036195A1
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proximity detector
magnets
hall sensor
hall
detector according
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PCT/CH2004/000587
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Inventor
Joshua Lanter
Martin Kirchner
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Polycontact Ag
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/147—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the movement of a third element, the position of Hall device and the source of magnetic field being fixed in respect to each other

Definitions

  • Non-contact proximity detector especially for erromagnetic components
  • the invention relates to a non-contact proximity detector, in particular for detecting ferromagnetic components, according to the preamble of patent claim 1.
  • Hall sensors are often used as proximity sensors or as contactless sensors
  • Hall sensors consist of a semiconductor layer supplied with constant current, usually in an integrated design.
  • the constant current is influenced by a magnetic field component perpendicular to the semiconductor layer and the sensor supplies an evaluable Hall voltage which can be tapped and used to evaluate a state or can also be used directly as a switching voltage.
  • the integrated design of Hall sensors offers the possibility of integrating an evaluation circuit suitable for evaluating the switching state on the Hall sensor.
  • a contactless proximity detector for ferromagnetic components is known from US Pat. No. 6,043,646, which can be used in particular for motor vehicle applications.
  • the proximity detector has a U-shaped permanent magnet with a vertical magnetization running parallel to the U-legs. A region free of magnetic flux is formed between the U-legs, in which a sensor sensitive to a magnetic field is attached.
  • a flat ferromagnetic release part approaches parallel to the extension of the base of the U-shaped permanent magnet to the free poles of the U-legs, the area free of magnetic flux between the U-legs is canceled and the magnetic field-sensitive sensor arranged there generates a signal which is evaluated can.
  • the construction of the proximity detector with a U-shaped permanent magnet and a magnetic field-sensitive sensor arranged between the U-legs is required. very high precision.
  • the U-legs running on both sides of the base of the U-shaped permanent magnet have to be as similar as possible and aligned as exactly as possible so that a space free of magnetic flux is created in the area enclosed by the U-shaped permanent magnet.
  • the production of a special U-shaped permanent magnet is intrinsically complex and expensive.
  • the required accuracy of the U-shaped permanent magnet and the complex adjustment of the magnetic field-sensitive sensors make the non-contact proximity detector even more expensive. For this reason, components of this type can only be used for special applications in which the costs play a subordinate role.
  • Object of the present invention is therefore / creating ⁇ a contactless proximity detector which is simple in construction. It should be simple and inexpensive to manufacture. In particular, the proximity detector should be able to be manufactured from simple standard components.
  • the contactless proximity detector according to the invention in particular for detecting the approach of a ferromagnetic component, has at least one magnet arrangement generating a magnetic flux and a magnetic field-sensitive sensor arranged in the effective range of the magnetic flux.
  • the magnetic field sensitive sensor is a Hall sensor with at least one flat Hall measuring field. The vector of the magnetic flux within the magnet arrangement runs parallel to the areal extension of the Hall measuring field.
  • the proximity detector according to the invention has a very simple construction consisting of at least one conventional magnet and a Hall sensor with at least one Hall measuring field.
  • the only condition is that the orientation of the magnetic field formed by the magnet inside the magnet parallel to the areal extension of the Hall measuring field runs. In other words, this means that the direction of the magnetic flux of the bias magnet is perpendicular to the direction of the measured variable measured in the Hall measuring field.
  • the magnetic field of the bias magnet is distorted and the amount of the measured variable tapped at the Hall measuring field changes.
  • the tapped measurement variable can be processed further or, after any amplification, can be used immediately to trigger a switching pulse.
  • the components used for the proximity detector are standard components that are simple and inexpensive to manufacture and assemble. Because of its simple and inexpensive design, the proximity detector can be used anywhere where the change in position of a ferromagnetic component is to be detected.
  • the Hall sensor and the magnet arrangement are expediently arranged such that they can be moved relative to one another at least in a direction running perpendicular to the direction of the vector of the magnetic flux.
  • the relative mobility of the individual components facilitates the adjustment and calibration of the proximity detector.
  • the proximity detector according to the invention comprises only a single magnet and the Hall sensor with at least one Hall measuring field.
  • a further embodiment variant of the proximity detector comprises two magnets arranged at a distance from one another, the magnetic fluxes running within the magnets being parallel and preferably directed in opposite directions.
  • the Hall sensor is arranged in a neutral area which is formed in a space between the two magnets. This neutral area is not a completely magnetic field-free area; rather the effect of the magnetic flux in this zone is canceled out.
  • the two bias magnets improve the sensitivity of the proximity detector without unduly increasing the complexity of the system.
  • FIG. 1 For purposes of this specification, the proximity detector according to the invention can also comprise three or more magnets, each of which is arranged in such a way that their magnetic fluxes within the magnets run parallel to the planar extent of the Hall measuring field.
  • the magnets are arranged in such a way that the vectors of the magnetic fluxes of at least two opposing magnets are directed towards each other.
  • a zone can be created in which the effects of the magnetic fluxes cancel each other out in a coordinate direction.
  • these are advantageously arranged and oriented such that the vectors of the magnetic fluxes of all magnets point in the direction of the Hall sensor or in the opposite direction.
  • the magnetic fluxes cross each other in pairs. Due to the simultaneous orientation of the magnetic fluxes in the direction of the Hall sensor or away from it, the ineffective zone in which the Hall sensor is arranged can be defined very easily. Relative mobility of the magnets relative to one another facilitates the exact alignment of the magnetic fluxes with respect to one another.
  • the magnet arrangement can be formed, for example, by one or more electromagnets which can be activated if necessary.
  • the magnet arrangement comprises at least one rod-shaped permanent magnet. This has the advantage that no separate energy source is required and the proximity detector is practically always on standby.
  • the Hall sensor can be designed as a differential Hall sensor.
  • the differential Hall sensor has at least two Hall measuring fields which are arranged next to or behind one another in relation to the direction of the vector of the magnetic flux. Since the magnetic field sensitive sensor is designed as a differential Hall sensor with two measuring fields, magnetic field differences can be measured with the sensor. When forming the difference between the signals supplied by the Hall measuring fields, interference from external magnetic fields is eliminated. Because of the largely insensitivity of the differential Hall sensor to external interference magnetic fields, even minor changes in the magnetic field acting on the differential Hall sensor can be detected.
  • the linear arrangement of the Hall measuring fields one behind the other or next to one another takes into account the fact that the movement of the position-changing components is essentially linear.
  • the proximity detector comprises a Hall sensor, the characteristics of which, such as the point of use, switching threshold, slope, etc., can be subsequently trimmed, in particular programmed. Subsequent trimming can consist, for example, of activating or deactivating diodes on the Hall sensor or subsequently changing resistance sections, for example with a laser, etc.
  • Programmable Hall sensors have a control unit, for example in the form of an EPROMS or EEPROMS, which it allows the desired parameters to be adjusted and changed as required. As a result, the area of application of the proximity detector can be specifically adapted to the requirements.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an inventive proximity detector with a magnet and a Hall sensor.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the proximity detector with a Hall sensor arranged between two magnets
  • FIG. 3 shows a variant of the proximity detector according to FIG. 1;
  • FIG 4 shows another embodiment of the proximity detector according to the invention.
  • the embodiment variant of the proximity detector 10 shown schematically in FIG. 1 comprises a magnet 11 and a magnetic field-sensitive sensor 15, which is arranged in the effective range of the magnetic flux J of the magnet 11.
  • a mag Net field-sensitive sensor 15 is, in particular, a Hall sensor with a flat Hall measuring field 16.
  • the magnet 11 is designed as a bar magnet. N and S denote the magnetic north pole and the magnetic south pole of the ring magnet.
  • the bar magnet 11 is arranged such that the magnetic flux J inside the magnet 11 runs parallel to the surface of the Hall measuring field 16 of the Hall sensor 15.
  • a ferromagnetic component 3 approaches, which is indicated in the illustration by the double arrow P, the magnetic flux J is changed to a greater or lesser extent.
  • the change in the magnetic flux J due to the approach of the component 3 is detected.
  • an electromagnetic signal is generated, for example, when a threshold value is reached, which is tapped at Hall measuring field 16 and can be used, for example, to initiate a switching process.
  • the Hall sensor 25 and its bias magnet 21 are advantageously arranged to be displaceable relative to one another.
  • the embodiment of the proximity detector 20 shown in FIG. 2 measures a Hall sensor 25 with a Hall measuring field 26, which is arranged between two bar magnets 21, 22 arranged at a distance from one another.
  • the bar magnets 21, 22 are aligned with their north and south poles N and S such that their magnetic fluxes within the magnets 21 and 22 run parallel to the surface of the Hall measuring field 26 of the Hall sensor 25.
  • the Hall sensor 25 is advantageously arranged between the two magnets 21, 22 in such a way that the Hall measuring field 26 is located in the region of the flow-free zone. As a result, the greatest possible sensitivity of the Hall sensor 25 to flow changes can be achieved.
  • the components of the proximity detector 20 are advantageously arranged such that they can be adjusted relative to one another.
  • a ferromagnetic component 3 approaches, the magnetic flux J is distorted and the flux-free zone in which the Hall measuring field is arranged is canceled.
  • the change in the magnetic flux is detected by the Hall sensor 25 and converted into electrical signals that are processed further.
  • the magnetic fluxes J of the two magnets 21, 22 are directed towards the Hall sensor 25 in FIG. 2. It goes without saying that the magnets 21, 22 also in this way can be arranged that the magnetic fluxes m Hall sensor 25 directed away.
  • the design variant of the proximity detector 30 shown schematically in FIG. 3 largely corresponds in structure to the exemplary embodiment from FIG. 1.
  • the proximity detector comprises a magnet 31 and a magnetic field sensitive sensor 35 which is arranged in the effective range of the magnetic flux J of the magnet 31.
  • the magnetic field-sensitive sensor 35 is a differential Hall sensor which has at least two flat Hall measuring fields 36, 37.
  • the magnet 31 is in turn designed as a bar magnet. N and S denote the magnetic north pole and the magnetic south pole of the ring magnet.
  • the bar magnet 31 is arranged such that the magnetic flux J inside the magnet 31 runs parallel to the surface of the two Hall measurement fields 36 and 37 of the Hall sensor 35. A relative displacement of the bias magnet 31 and the Hall sensor 35 to each other facilitates the alignment of the components.
  • the magnetic flux J is changed to a greater or lesser extent.
  • the two Hall measuring fields 36, 37 detect the locally different flow change.
  • the resulting electromagnetic signals are used to form the difference. In this way, interference from external electromagnetic stray or interference fields can be eliminated.
  • the electrical differential signals supplied by the differential Hall sensor 35 are a direct measure of the change in position of the ferromagnetic component 3 and can be processed further or used for direct switching operations or the like.
  • the exemplary embodiment of the proximity detector according to the invention shown in FIG. 4 is provided with the reference number 40 as a whole. It comprises four magnets 41, 42, 43, 44, which are designed, for example, as rod-shaped permanent magnets and are mounted so as to be displaceable relative to one another.
  • the bar magnets 41-44 are arranged in a rectangular shape and enclose an area in which a Hall sensor 45 with a flat Hall measuring field 46 is arranged.
  • the position of the Hall sensor 45 relative to the bar magnets 41-44 can be changed.
  • the orientation of the bias magnets 41-44 for the Hall sensor 45 is such that the direction of the magnetic flux J is within the magnets 41 - 44 run parallel to the surface of the flat Hall measuring field 46 of the Hall sensor 45.
  • the north and south poles N and S of mutually opposite magnets 41, 42 and 43, 44 are oriented in such a way that the magnetic fluxes J of a magnet pair 41, 42 and 43, 44 run parallel but opposite to each other.
  • the magnets 41-44 are oriented such that the magnetic fluxes J run perpendicular to one another in pairs.
  • the direction of all magnetic fluxes J is oriented away from the Hall sensor 45. It goes without saying that the direction of the magnetic fluxes can also be reversed.
  • the orientation of the magnets can also be chosen such that the directions of the magnetic fluxes of a magnet pair lying opposite one another point toward the Hall sensor, while the magnetic fluxes of the second magnet pair point away from the Hall sensor.
  • a ferromagnetic component 3 approaches, which is indicated by the double arrow P, the magnetic flux in the area enclosed by the biasing magnets 41-44 is changed and detected by the Hall sensor. The resulting electrical parameters are tapped and processed.
  • a differential Hall sensor with at least two Hall measuring fields can be used instead of a Hall sensor.
  • the proximity detector comprises a Hall sensor, the parameters of which, such as the point of use, switching threshold, slope, etc., can be subsequently trimmed, in particular programmed.
  • a subsequent trimming can consist, for example, that the Hall sensor has diodes which can be activated or deactivated subsequently in order to change its parameters.
  • the Hall sensor can also be equipped with resistance paths, for example, which can be changed later, for example with a laser.
  • Programmable Hall sensors have a control unit, for example in the form of an EPROMS or EEPROMS, which allows the desired parameters to be adapted and changed as desired. As a result, the area of application of the proximity detector can be specifically adapted to the requirements.
  • the component 3 shown in FIGS. 1-4 whose approach is to be determined by the proximity detector, is not made entirely of a ferromagnetic see material must exist. It can also be a component made of other materials, which is connected to or encloses a ferromagnetic part, etc.
  • the proximity sensor described can be used wherever the approach of a component having a ferromagnetic component is detected and for triggering further processes , for example of switching operations, is used.
  • One application is, for example, the detection of the closure of a seat belt buckle in motor vehicles, which serves as an indicator for the activation or deactivation of mechanisms for inflating driver and front passenger airbags or side airbags.

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Abstract

Ein berührungsloser Näherungsdetektor (10), insbesondere zur Erfassung der Annähe­rung eines ferromagnetischen Bauteils (3), weist wenigstens eine, einen magnetischen Fluss (J) erzeugende Magnetanordnung (11) und einen im Wirkungsbereich des magneti­schen Flusses (J) angeordneten, magnetfeldempfindlichen Sensor (15) auf. Der magnet­feldempfindliche Sensor (15) ist ein Hallsensor mit wenigstens einem flächig ausgebilde­ten Hall-Messfeld (16). Der Vektor des magnetischen Flusses (J) innerhalb der Magnetan­ordnung (11) verläuft parallel zur flächigen Erstreckung des Hall-Messfeldes (16).

Description

Berührungsloser Näherungsdetektor, insbesondere für f erromagnetische Bauteile
Die Erfindung betrifft einen berührungslosen Näherungsdetektor, insbesondere zur Er- fassung ferromagnetischer Bauteile, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In vielen technischen Anwendung, beispielsweise im Maschinenbau und dergleichen, ist es erforderlich, die Annäherung eines Bauteils an ein zweites Bauteil messtechnisch schnell und zuverlässig zu erfassen. Im Fall von ferromagnetischen Bauteilen werden vielfach Hall-Sensoren als Näherungssensoren oder als Sensoren zur berührungslosen
Bestimmung des Zustande von Bauteilen eingesetzt, die ihre Lage verändern, insbesonder zwei unterschiedliche Endlagen einnehmen können. Hall-Sensoren bestehen im Prinzip aus einer mit Konstantstrom versorgten Halbleiterschicht, üblicherweise in integrierter Bauweise. Durch eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Halbleiterschicht wird der Konstantstrom beeinflusst und der Sensor liefert eine auswertbare Hall-Spannung, die abgegriffen und zur Auswertung eines Zustande herangezogen bzw. auch unmittelbar als Schaltspannung eingesetzt werden kann. Die integrierte Bauweise von Hall-Sensoren bietet die MögHchkeit, bereits eine zur Auswertung des Schaltzustandes geeignete Auswerteschaltung auf dem Hall-Sensor zu integrierten.
Aus der US-A-6,043,646 ist ein berührungsloser Näherungsdetektor für ferromagnetische Bauteile bekannt, der insbesondere für Kfz- Anwendungen einsetzbar ist. Der Näherungsdetektor weist einen U-f örmig ausgebildeten Permanentmagneten mit einer parallel zu den U-Schenkeln verlaufenden, vertikalen Magnetisierung auf. Zwischen den U- Schenkeln ist ein magnetflussfreier Bereich ausgebildet, in dem ein magnetfeldempfindli- cher Sensor angebracht ist. Bei Annäherung eines flächigen ferromagnetischen Auslöseteils parallel zur Erstreckung der Basis des U-förmigen Permanentmagneten an die freien Pole der U-Schenkel wird der magnetflussfreie Bereich zwischen den U-Schenkeln aufgehoben, und der dort angeordnete magnetfeldempfindliche Sensor erzeugt ein Signal, wel- ches ausgewertet werden kann.
Der Aufbau des Näherungsdetektors mit einem U-förmigen Permanentmagneten und einem zwischen den U-Schenkeln angeordneten, magnetfeldempfindlichen Sensor erf or- dert eine sehr hohe Präzision. Die zu beiden Seiten der Basis des U-förmigen Permanentmagneten verlaufenden U-Schenkel müssen möglichst gleichartig ausgebildet und möglichst exakt parallel ausgerichtet sein, damit in dem vom U-förmigen Permanentmagneten umschlossenen Bereich ein magnetflussfreier Raum entsteht. Die Herstellung eines speziellen U-förmigen Permanentmagneten ist an sich schon aufwändig und teuer. Die erforderliche Genauigkeit des U-förmigen Permanentmagneten und die aufwändige Justierung des magnetfeldempfindlichen Sensoren verteuern den berührungslosen Näherungsdetektor noch zusätzlich. Aus diesem Grund kommen derartige Bauteile nur für Spezial- anwendungen in Frage, bei denen die Kosten eine untergeordnete Rolle spielen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher/~einen berührungslosen Näherungsdetektor zu schaffen, der einfach im Aufbau ist. Er soll einfach und kostengünstig herstellbar sein. Insbesondere soll der Näherungsdetektor aus einfachen Standardkomponenten fertigbar sein.
Die Lösung dieser Aufgaben besteht in einem berührungslosen Näherungsdetektor, insbesondere zur Erfassung der Annäherung ferromagnetischer Bauteile, der die im kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale aufweist. Weiterbildungen und/ oder vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemässe berührungslose Näherungsdetektor, insbesondere zur Erfassung der Annäherung eines ferromagnetischen Bauteils, weist wenigstens eine, einen magnetischen Fluss erzeugende Magnetanordnung und einem im Wirkungsbereich des magneti- sehen Flusses angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor auf. Der magnetfeldempfindliche Sensor ist ein Hallsensor mit wenigstens einem flächig ausgebildeten Hall- Messfeld. Der Vektor des magnetischen Flusses innerhalb der Magnetanordnung verläuft parallel zur flächigen Erstreckung des Hall-Messfeldes.
Der erfindungsgemässe Näherungsdetektor weist einen sehr einfachen Aufbau aus wenigstens einem herkömmlichen Magneten und einem Hallsensor mit wenigstens einem Hall-Messfeld auf. Einzige Bedingung ist, dass die Orientierung des vom Magneten gebildeten Magnetfeldes im Inneren des Magneten parallel zur flächigen Erstreckung des Hall-Messfeldes verläuft. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Richtung des magnetischen Flusses des Vorspannmagneten senkrecht zur Richtung der am Hall-Messfeld bestirnrnten Messgrösse verläuft. Bei einer Annäherung eines ferromagnetischen Bauteils wird das Magnetfeld des Vorspannmagneten verzerrt und der Betrag der am Hall- Messfeld abgegriffenen Messgrösse verändert sich. Die abgegriffene Messgrösse kann weiterverarbeitet oder nach einer allfälligen Verstärkung unmittelbar für die Auslösung eines Schaltimpulses eingesetzt werden. Die für den Näherungsdetektor verwendeten Bauteile sind Standardbauteile, die einfach und kostengünstig herstellbar und zusammenstellbar sind. Wegen seines einfachen und kostengünstigen Aufbaus ist der Nähe- rungsdetektor universell überall dort einsetzbar, wo die Lageveränderung eines ferromagnetischen Bauteils erfasst werden soll.
Zweckmässigerweise sind der Hallsensor und die Magnetanordnung derart angeordnet, dass sie wenigstens in einer senkrecht zur Richtung des Vektors des magnetischen Flusses verlaufenden Richtung relativ zueinander bewegbar sind. Die relative Beweglichkeit der einzelnen Bauteile erleichtert die Justierung und Kalibrierung des Näherungsdetektors.
Der erfindungsgemäss Näherungsdetektor umf asst in seiner einf chsten Ausführungsvariante nur einen einzelnen Magneten und den Hallsensor mit wenigstens einem Hall- Messfeld. Eine weitere Ausführungsvariante des Näherungsdetektors umf asst zwei im Abstand voneinander angeordnete Magnete, deren innerhalb der Magnete verlaufende magnetische Flüsse parallel und vorzugsweise einander entgegen gerichtet sind. Der Hallsensor ist in einem neutralen Bereich angeordnet, der in einem Zwischenraum zwischen den beiden Magneten ausgebildet ist. Bei diesem neutralen Bereich handelt es sich nicht um einen völlig magnetfeldfreien Bereich; vielmehr hebt sich die Wirkung der Magnetflüsse in dieser Zone auf. Die beiden Vorspannmagnete verbessern die Empfindlichkeit des Näherungsdetektors, ohne die Komplexität des Systems überr ässig zu erhöhen.
Weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Näherungsdetektor können auch drei oder mehr Magnete umfassen, die jeweils derart angeordnet sind, dass ihre magnetischen Flüsse innerhalb der Magnete parallel zur flächigen Erstreckung des Hall- Messfeldes verlaufen. Im Fall von zwei oder mehr Vorspannmagneten für den Hallsensor sind die Magnete derart angeordnet, dass die Vektoren der magnetischen Flüsse von we- nigstens zwei einander gegenüberliegenden Magneten einander entgegen gerichtet sind. Dadurch ist eine Zone erstellbar, in der sich die Wirkungen der magnetischen Flüsse in eine Koordinatenrichtung aufheben. Bei drei oder mehr Vorspannmagneten sind diese mit Vorteil derart angeordnet und orientiert, dass die Vektoren der magnetischen Flüsse aller Magnete in Richtung des Hallsensors bzw. in die entgegengesetzt Richtung weisen. Beispielsweise im Fall von vier Magneten verlaufen die magnetischen Flüsse paarweise gekreuzt zueinander. Durch die gleichzeitige Ausrichtung der magnetischen Flüsse in Richtung des Hallsensors oder von diesem weg, ist die wirkungsfreie Zone, in der der Hallsensor angeordnet ist, sehr einfach definierbar. Eine relative Beweglichkeit der Mag- nete zueinander erleichtert die exakte Ausrichtung der magnetischen Flüsse zueinander.
Die Magnetanordnung kann beispielsweise von einem oder von mehreren Elektromagneten gebildet sein, welche erforderlichenfalls aktivierbar sind. In einer zweckmässigen Ausführungsvariante umf asst die Magnetanordnung aber wenigstens einen stabf örmigen Permanentmagneten. Dies hat den Vorteil, dass keine separate Energiequelle erf orderHch ist und der Näherungsdetektor sich praktisch ständig in Bereitschaft befindet.
Zur Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber magnetischen oder elektromagnetischen Störfeldern kann der Hallsensor als ein Differential-Hallsensor ausgebildet sein. Der Differential-Hallsensor weist dazu wenigstens zwei Hall-Messfelder auf, die bezogen auf die Richtung des Vektors des magnetischen Flusses neben- bzw. hintereinander angeordnet sind. Indem der magnetfeldempfindliche Sensor als ein Differential-Hallsensor mit zwei Messfeldern ausgebildet ist, sind mit dem Sensor Magnetfelddifferenzen messbar. Bei der Differenzbildung der von den Hall-Messfeldern gelieferten Signale fallen Störein- flüsse von äusseren Magnetfeldern weg. Wegen der weitgehenden Unempfindlichkeit des Differenz-Hallsensors gegenüber äusseren Störmagnetfeldern sind auch kleinere Änderungen des den Differenz-Hallsensor beaufschlagenden Magnetfeldes detektierbar. Die lineare Anordung der Hall-Messfelder hinter- bzw. nebeneinander trägt dem Umstand Rechnung, dass die Bewegung der lageverändernden Bauteile im wesentlichen linear er- folgt. Dadurch sind auch die Voraussetzungen für eine Optimierung der Grosse der Signaländerung am Ausgang des Differenz-Hallsensors geschaffen. Wegen des Einsatzes eines Differential-Hallsensors ist die Anordung des magnetfeldempfindllichen Sensors relativ unkritisch, solange er sich im Wirkungsbereich des Magnetflusses des Magneten befindet. Auf eine aufwändige Justierung seiner relativen Lage zum Magneten kann in der Regel verzichtet werden. Einflüsse durch mechanische Beanspruchungen, insbesondere durch Erschütterungen, können wegen der Differenzenbildung der von den beiden Hall-Messfeldern gelieferten Signale sehr leicht kompensiert werden.
Es erweist sich auch von Vorteil, wenn der Näherungsdetektor einen Hallsensor umfasst, dessen Kenngrössen, wie beispielsweise Einsatzpunkt, Schaltschwelle, Steilheit, usw., nachträglich trimmbar, insbesondere programmierbar sind. Eine nachträgliche Trimmung kann beispielsweise darin bestehen, dass Dioden auf dem Hallsensor aktiviert oder deak- tiviert werden oder Widerstandsstrecken, beispielsweise mit einem Laser, nachträglich verändert werden, usw. Programmierbare Hallsensoren weisen eine Steuereinheit, beispielsweise in Form eines EPROMS oder EEPROMS auf, welche es erlaubt, die gewünschten Kenngrössen nach Wunsch anzupassen und zu verändern. Dadurch kann der Einsatzbereich des Näherungsdetektors gezielt an die Erfordernisse angepasst werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemässen Näherungsdetektors für die Erfassung der Annäherung ferromagnetischer Bauteile. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Näherungsdetektor mit einem Magneten und einem Hallsensor;
Fig.2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Näherungsdetektors mit einem zwischen zwei Magneten angeordneten Hallsensor;
Fig.3 eine Variante des Näherungsdetektors gemäss Fig. 1; und
Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Näherungsdetektors.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ausführungsvariante des Näherungsdetektors 10 umfasst einen Magneten 11 und einen magnetfeldempfindlichen Sensor 15, der im Wirkungsbereich des magnetischen Flusses J des Magneten 11 angeordnet ist. Bei dem mag- netfeldempfindlichen Sensor 15 handelt es sich insbesondere um einen Hallsensor mit einem flächigen Hall-Messfeld 16. Der Magnet 11 ist als ein Stabmagnet ausgebildet. N bzw. S kennzeichnen den magnetischen Nordpol bzw. den magnetischen Südpol des Ringmagneten. Der Stabmagnet 11 ist derart angeordnet, dass der magnetische Fluss J innerhalb des Magneten 11 parallel zur Oberfläche des Hall-Messfeldes 16 des Hallsensors 15 verläuft. Bei der Annäherung eines ferromagnetischen Bauteils 3, welche in der Darstellung durch den Doppelpfeil P angedeutet ist, wird der magnetische Fluss J mehr oder weniger stark verändert. Die Änderung des magnetischen Flusses J auf Grund der Annäherung des Bauteils 3 wird detektiert. Abhängig von der Grundeinstellung des Hall- sensors 15 wird beispielsweise bei Erreichen eines Schwellenwertes ein elektromagnetisches Signal erzeugt, welches am Hall-Messfeld 16 abgegriffen wird und beispielsweise für die Einleitung eines Schaltvorgangs eingesetzt werden kann. Mit Vorteil sind der Hallsensor 25 und sein Vorspannmagnet 21 relativ zueinander verschiebbar angeordnet.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiels des Näherungsdetektors 20 um asst einen Hallsensor 25 mit einem Hall-Messfeld 26, der zwischen zwei im Abstand voneinander angeordneten Stabmagneten 21, 22 angeordnet ist. Die Stabmagnete 21, 22 sind mit ihren Nord- und Südpolen N bzw. S derart ausgerichtet, dass ihre magnetischen Flüsse innerhalb der Magnete 21 bzw. 22 parallel zur Oberfläche des Hall-Messf eldes 26 des Hallsen- sors 25 aber entgegengesetzt verlaufen. Dadurch entsteht zwischen den beiden Magneten 21, 22 eine Zone, in der die Wirkung der magnetischen Flüsse der beiden Magnete 21, 22 aufgehoben ist. Der Hallsensor 25 ist mit Vorteil derart zwischen den beiden Magneten 21, 22 angeordnet, dass sich das Hall-Messfeld 26 im Bereich der flussfreien Zone befindet. Dadurch ist eine grösstmögliche Empfindlichkeit des Hallsensors 25 gegenüber Fluss- änderungen erzielbar. Zur Erleichterung der Ausrichtung der Magnete 21, 22 und der Positionierung des Hallsensors 25 sind die Bestandteile des Näherungsdetektors 20 mit Vorteil relativ zueinander verstellbar angeordnet. Bei der Annäherung eines ferromagnetischen Bauteils 3 wird der magnetische Fluss J verzerrt, und die flussfreie Zone, in der das Hall-Messfeld angeordnet ist, wird aufgehoben. Die Änderung des magnetischen Flusses wird vom Hallsensor 25 detektiert und in elektrische Signale umgeformt, die weiterverarbeitet werden. Die magnetischen Flüsse J der beiden Magnete 21, 22 sind in Fig. 2 auf den Hallsensor 25 hin gerichtet. Es versteht sich, dass die Magnete 21, 22 auch derart angeordnet sein können, das die magnetischen Flüsse m Hallsensor 25 weg gerichtet verlaufen.
Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Ausführungsvariante des Näherungsdetektors 30 entspricht vom Aufbau weitgehend dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1. Der Näherungsdetektor umfasst einen Magneten 31 und einen magnetf eldempfindlichen Sensor 35, der im Wirkungsbereich des magnetischen Flusses J des Magneten 31 angeordnet ist. Bei dem magnetfeldempfmcllichen Sensor 35 handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Differential-Hallsensor, der wenigstens zwei flächig ausgebildete Hall- Messfelder 36, 37 aufweist. Der Magnet 31 ist wiederum als ein Stabmagnet ausgebildet. N bzw. S kennzeichnen den magnetischen Nordpol bzw. den magnetischen Südpol des Ringmagneten. Der Stabmagnet 31 ist derart angeordnet, dass der magnetische Fluss J innerhalb des Magneten 31 parallel zur Oberfläche der beiden Hall-Messfelder 36 und 37 des Hallsensors 35 verläuft. Eine relative Verschiebbarkeit des Vorspannmagneten 31 und des Hallsensors 35 zueinander erleichtert die Ausrichtung der Bestandteile. Bei der Annäherung eines ferromagnetischen Bauteils 3, welche in der Darstellung wiederum durch den Doppelpfeil P angedeutet ist, wird der magnetische Fluss J mehr oder weniger stark verändert. Die beiden Hall-Messfelder 36, 37 delektieren die örtlich unterschiedliche Flussänderung. Die daraus resultierenden elektromagnetischen Signale werden zur Diffe- renzbildung herangezogen. Dadurch können Störeinflüsse von externen elektromagnetischen Streu- bzw. Störfeldern eliminiert werden. Die vom Differential-Hallsensor 35 gelieferten elektrischen Differenzsignale sind ein unmittelbares Mass für die Lageveränderung des ferromagnetischen Bauteils 3 und können weiter verarbeitet oder für unmittelbare Schaltvorgänge oder dergleichen herangezogen werden.
Das in Fig. 4 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemässen Näherungsdetektors ist gesamthaft mit dem Bezugszeichen 40 versehen. Es umfasst vier Magnete 41,42, 43, 44, die beispielsweise als stabförmige Permanentmagnete ausgebildet sind und relativ zueinander verschiebbar montiert sind. Die Stabmagnete 41 - 44 sind in Rechteckform angeordnet und umschliessen einen Bereich, in dem ein Hallsensor 45 mit einem flächig ausgebildeten Hall-Messfeld 46 angeordnet ist. Die Position des Hallsensors 45 relativ zu den Stabmagneten 41 - 44 ist veränderbar. Die Ausrichtung der Vorspannmagnete 41 - 44 für den Hallsensor 45 ist derart, dass die Richtung des magnetischen Flusses J innerhalb der Magnete 41 - 44 parallel zur Oberfläche des flächig ausgebildeten Hall-Messfeldes 46 des Hallsensors 45 verläuft. Dabei sind die Nord- und Südpole N bzw. S von einander gegenüberliegenden Magneten 41, 42 bzw. 43, 44 derart orientiert, dass die magnetischen Flüsse J eines Magnetpaars 41, 42 bzw. 43, 44 parallel, aber entgegengesetzt zueinander verlaufen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Magnete 41 - 44 derart orientiert, dass die magnetischen Flüsse J paarweise zueinander senkrecht verlaufen. Insbesondere ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Richtung aller magnetischen Flüsse J vom Hallsensor 45 weg orientiert. Es versteht sich, dass die Richtung der magnetischen Flüsse auch umgekehrt verlaufen kann. Auch kann die Orientierung der Magnete derart gewählt sein, dass die Richtungen der magnetischen Flüsse eines einander gegenüberliegenden Magnetpaars zum Hallsensor weisen, während die magnetischen Flüsse des zweiten Magnetpaars vom Hallsensor wegweisen. Bei der Annäherung eines ferromagnetischen Bauteils 3, welche mit dem Doppelpfeil P angedeutet ist, wird der magnetische Fluss in dem von den Vorspannmagneten 41 - 44 umschlossenen Bereich verändert und durch den Hallsensor erfasst. Die daraus resultierenden elektrischen Messgrössen werden abgegriffen und weiterverarbeitet.
Zur Unterdrückung der Einflüsse von magnetischen Streu- und Störfeldern kann anstelle eines Hallsensors ein Differential-Hallsensor mit wenigstens zwei Hall-Messfeldern ein- gesetzt werden. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn der Näherungsdetektor einen Hallsensor umfasst, dessen Kenngrössen, wie beispielsweise Einsatzpunkt, Schaltschwelle, Steilheit, usw., nachträglich trimmbar, insbesondere programmierbar sind. Eine nachträgliche Tri nmung kann beispielsweise darin bestehen, dass der Hallsensor Dioden aufweist, die nachträglich aktiviert oder deaktiviert werden können, um seine Kenngrössen zu verändern. Auch kann der Hallsensor beispielsweise mit Widerstandsstrecken ausgestattet sein, die bei Bedarf nachträglich, beispielsweise mit einem Laser, verändert werden können. Programmierbare Hallsensoren weisen eine Steuereinheit, beispielsweise in Form eines EPROMS oder EEPROMS auf, welche es erlaubt, die gewünschten Kenngrössen nach Wunsch anzupassen und zu verändern. Dadurch kann der Einsatzbereich des Nähe- rungsdetektors gezielt an die Erfordernisse angepasst werden.
Es versteht sich, dass das in den Fig. 1 - 4 dargestellte Bauteil 3, dessen Annäherung vom Näherungsdetektor festgestellt werden soll, nicht gesamthaft aus einem ferromagneti- sehen Material bestehen muss. Es kann sich dabei auch um ein Bauteil aus anderen Materialien handeln, das mit einem ferromagnetischen Teil verbunden ist oder dieses um- schliesst usw. Der beschriebene Näherungssensor ist überall dort einsetzbar, wo die Annäherung eines einen ferromagnetischen Bestandteil aufweisenden Bauteils detektiert und zur Auslösung weiterer Vorgänge, beispielsweise von Schaltvorgängen, herangezogen wird. Eine Anwendung besteht beispielsweise in der Detektion des Schliessens eines Gurtschlosses bei Kraftfahrzeugen, welche als Indikator für die Aktivierung oder Deaktivierung von Mechanismen zum Aufblasen von Fahrer- und Beifahrer-Airbags bzw. von Seiten-Airbags.

Claims

Patentansprüche
1. Berührungsloser Näherungsdetektor, insbesondere zur Erfassung der Annäherung eines ferromagnetischen Bauteils (3), mit wenigstens einer, einen magnetischen Fluss (J) erzeugenden Magnetanordnung und einem im Wirkungsbereich des magnetischen Flusses (J) angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetfeldempfindliche Sensor ein Hallsensor (15; 25; 35; 45) mit wenigstens einem flächig ausgebildeten Hall-Messfeld (16; 26; 36, 37; 46) ist und der Vektor des magnetischen Flusses (J) innerhalb der Magnetanord- nung (11; 21, 22; 31; 41 - 44) parallel zur flächigen Erstreckung des Hall-Messfeldes verläuft.
2. Näherungsdetektor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor Hallsensor (15; 25; 35; 45) und die Magnetanordnung (11; 21, 22; 31; 41 - 44) wenigstens in einer senkrecht zur Richtung des Vektors (J) des magnetischen Flusses verlaufenden Richtung relativ zueinander bewegbar angeordnet sind.
3. Näherungsdetektor gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung wenigstens einen Magneten (11; 31) umfasst.
4. Näherungsdetektor gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung wenigstens zwei im Abstand voneinander angeordnete Magnete (21; 22) umfasst, deren innerhalb der Magnete verlaufende magnetische Flüsse (J) parallel und vorzugsweise einander entgegen gerichtet sind, und dass der Hall- sensor (25) in einem neutralen Bereich angeordnet ist, der in einem Zwischenraum zwischen den beiden Magneten (21, 22) ausgebildet ist.
5. Näherungsdetektor gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (40) drei oder mehr Magnete (41 - 44) umfasst, die derart ange- ordnet sind, dass ihre magnetischen Flüsse (J) innerhalb der Magnete parallel zur flächigen Erstreckung des Hall-Messfeldes (46) des Hallsensors (45) verlaufen.
6. Näherungsdetektor gemäss Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete derart angeordnet sind, dass die Vektoren der magnetischen Flüsse (J) von wenigstens zwei einander gegenüberliegenden Magneten (21, 22; 41, 42 bzw. 43, 44) einander entgegen gerichtet sind.
7. Näherungsdetektor gemäss Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vektoren der magnetischen Flüsse (J) aller Magnete (21, 22; 41 - 44) in Richtung des Hallsensors (25) bzw. in die entgegengesetzte Richtung (46) weisen.
8. Näherungsdetektor gemäss Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (11; 21, 22; 31; 41 - 44) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind.
9. Näherungsdetektor gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (10; 20; 30; 40) aus einem oder mehreren stabförmig ausgebildeten Permanentmagneten (11; 21, 22; 31; 41 - 44) besteht.
10. Näherungsdetektor gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (35) als ein Differential-Hallsensor ausgebildet ist und wenigstens zwei Hall-Messfelder (36, 37) aufweist, die bezogen auf die Richtung des Vektors des magnetischen Flusses (J) neben- bzw. hintereinander angeordnet sind.
11. Näherungsdetektor gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngrössen des Hallsensors, wie beispielsweise Einsatz- punkt, Schaltschwelle, Steilheit, usw., nachträglich frimmbar, insbesondere programmierbar sind.
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