DE4237928C2 - Mikroschalter mit einem Magnetfeld-Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroschalter mit einem Mag­ netfeld-Sensor nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 4 und 5.

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.

Aus der DE 33 33 497 A1 ist ein Positionsgeber bekannt, welcher einen Magnetfeld-Sensor, zwei Dauermagneten und eine Schalteinrichtung aufweist, die entsprechend der magnetischen Induktion am Magnetfeld-Sensor ihren Schaltzustand ändert. Die dortige Anordnung der beiden Magneten ist jedoch nachteiligerweise nicht statisch, da der bekannte Positionsgeber durch Annäherung eines Steuermagneten an das Hallelement geschaltet wird. Diesem Stand der Technik ist andererseits jedoch kein Hinweis auf eine in Axialrichtung erfolgende Annäherung des Steuermagneten zu entnehmen.

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, dessen Merkmale in den Ansprüchen 1, 4 und 5 beschrieben sind.

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.

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.

Bei der Ausführungsform nach Anspruch 5 kann dabei der zweite Dauermagnet 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 Magnetfeld-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 ungleichnamigen 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 (8)

1. Mikroschalter mit einem Magnetfeld-Sensor (4) und einer Schalteinrichtung (41, 42), die entsprechend der magnetischen Induktion am Magnetfeld-Sensor ihren Schaltzustand ändert, sowie mit zwei Dauermagneten (1, 2), wobei der Magnetfeld-Sensor (4) im Grenzbereich der von beiden Dauermagneten erzeugten Magnetfelder angeordnet ist, die beiden säulenförmigen Dauermagneten (1, 2) koaxial zueinander und mit jeweils gleichnamigen Polen einander zugewandt unter Bildung eines Luftspaltes (3) angeordnet sind und daß in dem Luftspalt (3) der Magnetfeld-Sensor (4) fest angeordnet ist, 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 magnetische Induktion am Magnetfeld-Sensor im Ruhezustand auf einen festen Wert eingestellt ist und bei Annäherung eines ferromagnetischen Auslösekörpers (6) an einen der Dauermagneten (2) eine gegenüber dem Ruhezustand veränderte, über die Schalteinrichtung (41, 42) auswertbare Größe annimmt.

2. Mikroschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Annäherung des Auslösekörpers (6) an einen vom Magnetfeld-Sensor (4) abgewandten Pols (S) eines der Dauermagneten (2).

3. Mikroschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Annäherung des Auslösekörpers (6) an eine zur Axialrichtung parallele Seite eines der Dauermagneten (2).

4. Mikroschalter mit einem Magnetfeld-Sensor (4) und einer Schalteinrichtung (41, 42), die entsprechend der magnetischen Induktion am Magnetfeld-Sensor ihren Schaltzustand ändert, sowie mit zwei Dauermagneten (1, 2), wobei der Magnetfeld-Sensor (4) im Grenzbereich der von beiden Dauermagneten erzeugten Magnetfelder angeordnet ist, die beiden säulenförmigen Dauermagneten (1, 2) koaxial zueinander und mit jeweils ungleichnamigen Polen einander zugewandt unter Bildung eines Luftspaltes (3) angeordnet sind und daß in dem Luftspalt (3) der Magnetfeld-Sensor (4) in Axialrichtung fest angeordnet ist, 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 magnetische 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 Schalteinrichtung (41, 42) auswertbare Größe annimmt.

5. Mikroschalter mit einem Magnetfeld-Sensor (4) und einer Schalteinrichtung (41, 42), die entsprechend der magnetischen Induktion am Magnetfeld-Sensor ihren Schaltzustand ändert, sowie mit zwei Dauermagneten (1, 2), wobei der Magnetfeld-Sensor (4) im Grenzbereich der von beiden Dauermagneten erzeugten Magnetfelder angeordnet ist, die beiden säulenförmigen Dauermagneten (1, 2) koaxial zueinander und mit jeweils gleichnamigen Polen einander zugewandt unter Bildung eines Luftspaltes (3) angeordnet sind, wobei in dem Luftspalt (3) der Magnetfeld-Sensor (4) fest angeordnet ist, und wobei ein erster der beiden Dauermagneten (1) zusammen mit dem Magnetfeld-Sensor (4) in fester Zuordnung fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dauermagnet (2) in Axialrichtung verschiebbar 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 auswertbar 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 und wobei die magnetische Abstoßung zwischen beiden Dauermagneten (1, 2) als Rückstellkraft verwendet wird.

6. Mikroschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dauermagnet (2) mit einem in einem Gehäuse (11) geführten Betätigungsstößel (13) aus nicht ferromagnetischem Material verbunden ist.

7. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfeld-Sensor jeweils ein Hall-Sensor verwendet ist.

8. Mikroschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfeld-Sensor ein Magnetoresistor verwendet ist.