CN115565794A - 开关装置的磁体的位置可靠性 - Google Patents

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CN115565794A CN202210728805.2A CN202210728805A CN115565794A CN 115565794 A CN115565794 A CN 115565794A CN 202210728805 A CN202210728805 A CN 202210728805A CN 115565794 A CN115565794 A CN 115565794A
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F.C.布埃纳文图拉
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Abstract

一种开关装置，包括：壳体，可移动元件，由头部、第一磁体和第二磁体制成并且可滑动地安装在壳体中，该可移动元件适于相对于壳体在释放位置和接合位置之间移动，印刷电路板，包括微控制器和上部面，在该上部面预先安装有第一磁感测元件和第二磁感测元件，第一和第二磁感测元件定位成面向第一和第二磁体，其中，第一和第二磁感测元件被配置成分别检测分别由第一和第二磁体产生的第一和第二磁场，其中，第一磁体的磁极配置与第二磁体的磁极配置相反，并且由第一磁体产生的第一磁场相对于由第二磁体产生的第二磁场反向并且大小相等，其中，第一和第二磁感测元件能够从第一和第二磁场分别产生第一和第二输出信号。

Description

开关装置的磁体的位置可靠性
技术领域
本公开总体上涉及适用于按压按钮和选择器的基于磁性的无接触开关装置。
背景技术
开关装置通常是指接通或断开电路的任何装置。电气开关装置都由触头组组成，当装置被激活时，这些触头组断开和闭合。开关装置以多种方式被操作，从其中最简单的手动开关(如家用电灯开关)到工业应用中使用的更复杂的开关。在这种情况下，可以使用电磁线圈作为电感元件来操作开关装置，该电感元件具有磁感测元件以激活开关。
这种应用的示例包括但不限于商业航空、太空飞行、军事应用和工业过程，其中要求开关装置的状态的可靠性，以确保在部分故障的事件中设备的连续运行。因为失败的潜在后果，所以需要如此严格的要求。
因此，需要一种开关装置，其具有开关装置的状态的高可靠性。
发明内容
提供本概述以介绍与本发明主题相关的概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的必要特征，也不旨在用于确定或限制所要求保护的主题的范围。
在一个实施方式中，提供了一种开关装置，包括：
壳体，
可移动元件，由头部、第一磁体和第二磁体制成，并且可滑动地安装在壳体中，该可移动元件适于相对于壳体在释放位置和接合位置之间移动，
印刷电路板，包括微控制器和上部面，在该上部面上预先安装有第一磁感测元件和第二磁感测元件，第一磁感测元件和第二磁感测元件定位成面向第一磁体和第二磁体，
其中，第一磁感测元件和第二磁感测元件被配置成分别检测分别由第一磁体和第二磁体产生的第一磁场和第二磁场，其中，可移动元件在接合位置比在静止位置更靠近第一磁感测元件和第二磁感测元件，
其中，第一磁体的磁极配置与第二磁体的磁极配置相反，并且由第一磁体产生的第一磁场相对于由第二磁体产生的第二磁场在大小上相反，
其中，第一磁感测元件和第二磁感测元件能够从第一磁场和第二磁场分别产生第一输出信号和第二输出信号，
其中，在以下情况时，微控制器能够确认可移动元件的可靠位置：
如果第一输出信号包括在第一值范围中，并且如果第二输出信号包括在第二值范围中，并且
如果第一输出信号和第二输出信号的和基本上等于从第一磁场的大小和第二磁场的大小之间的差导出的预定值。
该开关装置允许对冗余位置的感测进行抵抗外部磁扰动的鲁棒化。更准确地说，通过在开关装置的两个冗余输入通道之间使用相反的磁极，开关装置允许显著增加诊断覆盖范围和扰动抑制。这种架构能够执行简单的基于软件的合理性检查，允许清楚地将磁扰动从实际磁测量中区分出来。
有利地，该布置允许简单且紧凑的验证系统，该验证系统可以安装在许多应用中，例如按压按钮和选择器，但是也可以扩展到需要高度可靠的开关装置的任何应用。
由于相反的极配置，存在一致且可重复的模式来确定开关装置的状态是否已经改变，这不能通过外部扰动来获得。该开关装置允许显著增加开关功能中的诊断覆盖范围和抗扰动性。
在一个实施例中，在以下情况时，微控制器能够检测磁扰动：
如果第一输出信号不包括在第一值范围内，或者如果第二输出信号不包括在第二值范围内，和/或
如果第一输出信号和第二输出信号之和不是基本上等于预定值。
在一个实施例中，如果检测到磁扰动，微控制器能够触发警报。
在一个实施例中，如果第一磁体和第二磁体具有相同的属性，则预定值为零。
在一个实施例中，当操作开关装置时，头部被压向印刷电路板，第一磁体和第二磁体分别靠近第一磁感测元件和第二磁感测元件，这增加了通过磁感测元件的磁通量，并且如果达到阈值，则改变开关装置的状态。
在一个实施例中，第一磁感测元件和第二磁感测元件是能够区分北磁极和南磁极的全极传感器。
在一个实施例中，第一磁感测元件与第一磁体和第一电感器对准，第二磁感测元件与第二磁体和第二电感器对准。
在另一实施方式中，提供了一种用于验证开关装置的可移动元件的可靠位置的方法，该开关装置包括壳体，由头部、第一磁体和第二磁体制成的并且可滑动地安装在壳体中的可移动元件，该可移动元件适于相对于壳体在释放位置和接合位置之间移动，该开关装置还包括印刷电路板，该印刷电路板包括微控制器和上部面，在该上部面上预先安装有第一磁感测元件和第二磁感测元件，第一磁感测元件和第二磁感测元件定位成面向第一磁体和第二磁体，该方法包括：
第一磁感测元件和第二磁感测元件分别检测分别由第一磁体和第二磁体产生的第一磁场和第二磁场，其中，可移动元件在接合位置比在静止位置更靠近第一磁感测元件和第二磁感测元件，
其中，第一磁体的磁极配置与第二磁体的磁极配置相反，并且由第一磁体产生的第一磁场相对于由第二磁体产生的第二磁场反向并且大小相等，
第一磁感测元件和第二磁感测元件分别从第一磁场和第二磁场产生第一输出信号和第二输出信号，
在以下情况时，微控制器证实可移动元件的可靠位置：
如果第一输出信号包括在第一值范围中，并且如果第二输出信号包括在第二值范围中，并且
如果第一输出信号和第二输出信号的和基本上等于从第一磁场的大小和第二磁场的大小之间的差导出的预定值。
在另一实施方式中，提供了一种计算机可读介质，其上包含有用于验证开关装置的可移动元件的可靠位置的计算机程序。所述计算机程序包括执行根据本发明的方法的步骤的指令。
附图说明
具体实施方式通过参考附图进行描述。在附图中，附图标记最左边的数字表示该附图标记首次出现的附图。在所有附图中，相同的数字用于指代相似的特征和部件。现在仅通过示例并参考附图来描述根据本主题的实施例的系统和/或方法的一些实施例，在附图中：
图1示出了根据一个实施例的开关装置；
图2示出了根据一个实施例的开关装置的操作原理；
图3a示出了根据一个实施例的开关装置的作为磁场的函数的电压模拟输出形式的输出信号；
图3b示出了根据一个实施例的开关装置的来自第一感测元件和第二磁感测元件的不同输出信号的行为；
图4示出了根据本发明的一个实施例的用于验证开关装置的可移动元件的可靠位置的方法。
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件或相同类型的元件。
本领域技术人员应当理解，本文中的任何框图都代表体现本主题原理的说明性系统的概念图。类似地，将会理解，任何流程图表、流程图、状态转移图、伪代码等表示可以基本上在计算机可读介质中表示并由计算机或处理器执行的各种过程，无论这样的计算机或处理器是否被明确示出。
具体实施方式
附图和以下描述说明了本发明的具体示例性实施例。因此，应当理解，本领域的技术人员将能够设计出各种布置，尽管在本文中没有明确描述或示出，但是这些布置体现了本发明的原理，并且被包括在本发明的范围内。此外，本文描述的任何示例都旨在帮助理解本发明的原理，并且应被解释为不限于这些具体列举的示例和条件。因此，本发明不限于下面描述的具体实施例或示例，而是由权利要求及其等同物来限定。
参考图1，开关装置SD包括壳体HS、由头部HD制成的可移动元件ME、第一磁体C1和第二磁体C2。开关装置SD还包括固定到壳体的印刷电路板PCB、链接到印刷电路板PCB的第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2。
可移动元件ME可滑动地安装在壳体中，并且适于相对于壳体在静止位置和接合位置之间移动。为此，壳体HS包括槽，可移动元件在该槽中被可滑动地引导。
印刷电路板PCB固定到壳体上，并且包括上部面，在该上部面预先安装有第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2。
印刷电路板PCB还包括能够与主机计算单元的接口通信的微控制器MCU，该主机计算单元可以基于微控制器MCU提供的反馈采取行动。
假设第一磁感测元件MSE1与第一磁体C1良好对准，并且第二磁感测元件MSE2与第二磁体C2良好对准。利用这种架构，第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2可以分别被第一磁体C1和第二磁体C2激励。
当开关装置被例如人操作时，头部被压向方向P，即压向印刷电路板，第一磁体C1和第二磁体C2分别更靠近第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2，根据磁学原理，这增加了通过磁感测元件的磁通量，并且如果达到阈值，则改变了开关装置的状态。这意味着开关装置的状态与磁场的大小有关。
在一个实施例中，开关装置是按钮(如按压按钮或选择器)的一部分。在所有情况下，操作者在按钮上的动作(对按钮的按压或旋转)将导致头部和磁体朝向磁感测元件平移。
参考图2，示出了开关装置的操作原理。
第一磁体C1和第二磁体C2分别产生分别与第一感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2相互作用的第一磁场F1和第二磁场F2。
第一磁传感器和第二磁传感器按照已经感测到的第一磁场F1和第二磁场F2修改它们各自的输出信号S1和S2。这些输出信号由微控制器MCU读取并进行处理，以确定开关装置的状态或是否存在故障状况。
开关装置在开关装置的两个冗余输入通道(即第一磁体C1和第二磁体C2)之间实现相反的磁极。关于方向P，第一磁体C1呈现为南磁极“S”在北磁极“N”的上方，而第二磁体C2呈现为北磁极“N”在南磁极“S”的上方。这种相反的配置允许开关装置对外部扰动具有鲁棒性，因为外部磁扰动将主要影响具有相同极性的两个磁传感器。
此外，由于相反的极配置，存在一致且可重复的模式来确定开关装置的状态是否已经改变，这不能通过外部扰动来获得。
由于开关装置的架构，在一个实施例中，假设由第一磁体C1产生的第一磁场F1相对于由第二磁体C2产生的第二磁场F2反向并且大小相等。在第一磁体C1和第二磁体C2具有相同属性时，尤其是这种情况。由此，在正常操作条件下，即没有磁扰动的情况下，第一输出信号S1和第二输出信号S2应当具有与第一磁场F1和第二磁场F2相似的属性：根据所选择的坐标系，第一输出信号S1相对于第二输出信号S2应当反向并且在大小上相等。因此，假设第一输出信号和第二输出信号之和基本上等于零。
在另一个实施例中，由第一磁体C1产生的第一磁场F1相对于由第二磁体C2产生的第二磁场F2是反向的，但大小不相等。在第一磁体C1和第二磁体C2不具有相同属性时，尤其是这种情况。由此，在正常操作条件下，第一输出信号S1和第二输出信号S2应当具有与第一磁场F1和第二磁场F2相似的属性：根据所选择的坐标系，第一输出信号S1应当在大小上相对于第二输出信号S2反转。因此，假设第一输出信号和第二输出信号之和基本上等于从第一磁场的大小和第二磁场的大小之间的差导出的预定值。
输出信号可以是不同类型的，并且输出信号相对于对应磁场的行为可以取决于输出信号的类型。认为磁感测元件的输出信号必须是全极性的，这意味着磁感测元件可以检测和区分北极和南极。在非限制性示例中，输出信号可以是电压或电流的模拟输出，或者是PWM和数字输出的形式。
在另一实施例中，第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2可以具有不同的标定，这意味着对于类似的磁场，第一输出信号S1和第二输出信号S2可以不同，但是应当具有类似的行为。在这种情况下，考虑到第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2的标定，还可以假设第一输出信号和第二输出信号之和基本上等于从第一磁场的大小和第二磁场的大小之间的差导出的预定值。
参考图3a，示出了作为磁场B的函数的电压模拟输出形式的输出信号，其中第一磁体C1和第二磁体C2具有相同的属性，并且第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2具有相似的标定。同样的原则也适用于不同类型的输出。
例如，当头部HD没有安装在开关装置SD上时，这意味着在第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2周围没有磁场，第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2的模拟输出的电压是Vcc/2。利用图2的第一磁体和第二磁体的磁极配置，当头部HD被安装并被压向P时，第二输出信号S2向Vcc增加，而第一输出信号S1向0减小。
定义了一致性规则，根据该规则，每当总是满足以下陈述时，来自传感器的输出应当是合理的，在本示例中，模拟输出为电压，偏移为Vcc/2：
S1+S2≈Vcc
Vmin1＜S1＜Vmax1；Vmin2＜S2＜Vmax2
第一输出信号S1的最小值Vmin1和第一输出信号S1的最大值Vmax1限定了包含第一输出信号S1的容许值的有效区域。以类似的方式，第二输出信号S2的最小值Vmin2和第二输出信号S2的最大值Vmax2限定了包含第二输出信号S2的容许值的有效区域。
参考图3b，示出了来自第一感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2的不同输出信号的行为。
如情况1所示，当开关装置被释放时，第一感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2感测到两个反向但大小相等的磁场。如情况2所示，当开关装置接合时，随着第一磁体和第二磁体分别更加靠近第一感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2，两个磁场都增加。对于情况1和情况2，两个磁场的一致性都得到保持，这允许容易地确定输出可靠，可被考虑。
情况3和情况4不满足一致性规则的两个条件。因此，情况3和情况4被认为是偏差的扰动。这种使用反向磁场来管理开关装置中的冗余的简单途径提供了一种检测和管理外部干扰的简单方式和成本有效的方式。此外，该原理可以用于以非常简单的原理诊断整个装置的完整性，这允许显著增加诊断覆盖范围。
参考图4，根据本发明的一个实施例的用于验证开关装置SD的可移动元件的可靠位置的方法包括步骤S1至S5。
在步骤S1中，由头部HD、第一磁体C1和第二磁体C2构成的可移动元件被操作、接合或释放，并且可移动元件相对于壳体在释放位置和接合位置之间移动。
在步骤S2中，第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2分别检测分别由第一磁体C1和第二磁体C2产生的第一磁场F1和第二磁场F2。
在步骤S3中，第一磁感测元件MSE1和第二磁感测元件MSE2从第一磁场F1和第二磁场F2分别产生第一输出信号S1和第二输出信号S2。
在步骤S4中，如果一致性规则的以下两个条件得到满足，则微控制器MCU证实可移动元件的可靠位置：
第一输出信号包括在第一值范围内，并且如果第二输出信号包括在第二值范围内，并且
第一输出信号和第二输出信号之和基本上等于从第一磁场的大小和第二磁场的大小之间的差导出的预定值。
如果两个条件中的至少一个不满足，则微控制器不证实可移动元件的可靠位置，并检测到磁扰动，换句话说：
如果第一输出信号不包括在第一值范围内，或者如果第二输出信号不包括在第二值范围内，和/或
如果第一输出信号和第二输出信号之和不是基本上等于从第一磁场的大小和第二磁场的大小之间的差导出的预定值。
一般来说，由第一磁体C1产生的第一磁场F1相对于由第二磁体C2产生的第二磁场F2是反向的，并且大小大致相等。因为第一输出信号和第二输出信号具有与第一磁场和第二磁场相似的行为，所以第一输出信号和第二输出信号的和近似等于预定值，该预定值是从第一磁场的大小和第二磁场的大小之间的差导出的。
在步骤S5中，当微控制器MCU检测到磁扰动时，微控制器MCU可以触发警报或错误，然后由开关装置的控制系统处理该警报或错误，控制系统针对开关装置的类型和环境做出决定。例如，在要求开关装置的状态的高可靠性的关键环境中，如果检测到扰动，控制系统可以将其考虑为错误。
尽管上面已经参照具体实施例描述了本发明，但是本发明不旨在局限于本文阐述的具体形式。相反，本发明仅受所附权利要求的限制，并且在这些所附权利要求的范围内，除上述具体实施例之外的其他实施例同样是可能的。
此外，尽管上面已经在组件和/或功能的一些示例性组合中描述了示例性实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以通过构件和/或功能的不同组合来提供替代实施例。此外，特别预期的是，单独描述的或者作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其他单独描述的特征或者其他实施例的一部分相结合。

Claims (10)

1.一种开关装置，包括：
壳体(HS)，
可移动元件，由头部、第一磁体(C1)和第二磁体(C2)制成并且可滑动地安装在所述壳体中，所述可移动元件适于相对于所述壳体在释放位置和接合位置之间移动，
印刷电路板(PCB)，包括微控制器和上部面，在该上部面预先安装有第一磁感测元件(MSE1)和第二磁感测元件(MSE2)，所述第一磁感测元件和第二磁感测元件定位成面向所述第一磁体(C1)和第二磁体(C2)，
其中，所述第一磁感测元件(MSE1)和第二磁感测元件(MSE2)被配置成分别检测分别由所述第一磁体(C1)和第二磁体(C2)产生的第一磁场和第二磁场，其中，所述可移动元件在所述接合位置比在所述静止位置更靠近所述第一磁感测元件(MSE1)和第二磁感测元件(MSE2)，
其中，所述第一磁体(C1)的磁极配置与所述第二磁体(C2)的磁极配置相反，并且由所述第一磁体产生的所述第一磁场相对于由所述第二磁体产生的所述第二磁场在大小上相反，
其中，所述第一磁感测元件(MSE1)和第二磁感测元件(MSE2)能够从所述第一磁场和所述第二磁场分别产生第一输出信号和第二输出信号，
其中，在以下情况时，所述微控制器能够证实所述可移动元件的可靠位置：
如果所述第一输出信号包括在第一值范围中，并且如果所述第二输出信号包括在第二值范围中，并且
如果所述第一输出信号和所述第二输出信号的和基本上等于从所述第一磁场的大小和所述第二磁场的大小之间的差导出的预定值。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其中，在以下情况时，所述微控制器能够检测磁扰动：
如果所述第一输出信号不包括在第一值范围内，或者如果所述第二输出信号不包括在第二值范围内，和/或
如果所述第一输出信号和所述第二输出信号之和不是基本上等于所述预定值。
3.根据权利要求2所述的开关装置，其中，如果检测到磁扰动，则所述微控制器能够触发警报。
4.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置，其中，如果所述第一磁体(C1)和所述第二磁体(C2)具有相同的属性，则所述预定值为零。
5.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置，其中，当所述开关装置被操作时，所述头部被压向所述印刷电路板(PCB)，所述第一磁体(C1)和所述第二磁体(C2)分别靠近所述第一磁感测元件(MSE1)和所述第二磁感测元件(MSE2)，从而增加了通过所述磁感测元件的磁通量，并且如果达到阈值，则改变了所述开关装置的状态。
6.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置，其中，所述第一磁感测元件(MSE1)和所述第二磁感测元件(MSE2)是能够区分北磁极和南磁极的全极传感器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置，其中，所述第一磁感测元件(MSE1)与所述第一磁体(C1)和第一电感器(EM1)对准，所述第二磁感测元件(MSE2)与所述第二磁体(C2)和第二电感器(EM2)对准。
8.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置，是按压按钮或选择器的一部分。
9.一种用于验证开关装置(SD)的可移动元件的可靠位置的方法，所述开关装置包括壳体(HS)，由头部、第一磁体(C1)和第二磁体(C2)制成并且能够滑动地安装在所述壳体中的可移动元件，所述可移动元件适于相对于所述壳体在释放位置和接合位置之间移动，所述开关装置(SD)还包括印刷电路板(PCB)，所述印刷电路板包括微控制器和上部面，在所述上部面上预先安装有第一磁感测元件(MSE1)和第二磁感测元件(MSE2)，所述第一磁感测元件和第二磁感测元件定位成面向所述第一磁体(C1)和第二磁体(C2)，所述方法包括：
所述第一磁感测元件(MSE1)和所述第二磁感测元件(MSE2)分别检测(S2)分别由所述第一磁体(C1)和所述第二磁体(C2)产生的第一磁场和第二磁场，其中，所述可移动元件在所述接合位置比在所述静止位置更靠近所述第一磁感测元件(MSE1)和所述第二磁感测元件(MSE2)，
其中，所述第一磁体(C1)的磁极配置与所述第二磁体(C2)的磁极配置相反，并且由所述第一磁体产生的所述第一磁场相对于由所述第二磁体产生的所述第二磁场反向并且大小相等，
所述第一磁感测元件(MSE1)和所述第二磁感测元件(MSE2)分别从所述第一磁场和第二磁场产生(S3)第一输出信号和第二输出信号，
在以下情况时，所述微控制器(MCU)验证(S4)所述可移动元件的可靠位置：
如果所述第一输出信号包括在第一值范围中，并且如果所述第二输出信号包括在第二值范围中，并且
如果所述第一输出信号和所述第二输出信号的和基本上等于从所述第一磁场的大小和所述第二磁场的大小之间的差导出的预定值。
10.一种计算机可读介质，在所述计算机可读介质上包含有计算机程序，所述计算机程序用于执行根据权利要求9所述的用于验证开关装置(SD)的可移动元件的可靠位置的方法。
CN202210728805.2A 2021-07-01 2022-06-24 开关装置的磁体的位置可靠性 Pending CN115565794A (zh)

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