DE10023503B4

DE10023503B4 - Positionsschalter

Info

Publication number: DE10023503B4
Application number: DE2000123503
Authority: DE
Inventors: Christian Oelschlegel
Original assignee: KA Schmersal GmbH and Co KG
Current assignee: KA Schmersal GmbH and Co KG
Priority date: 2000-05-13
Filing date: 2000-05-13
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2020-05-14
Also published as: DE10023503B9; DE10023503A1

Abstract

Positionsschalter (1) für einen entlang einer vorbestimmten Verfahrachse (z) verfahrbaren Gegenstand, mit einer an drei entlang der Verfahrachse (z) benachbart angeordneten Magneffeldsensoren gekoppelten Auswerteschaltung (7) zum Erzeugen eines Schaltsignals (U_OUT) bei entlang der Verfahrachse (z) gleicher Position des Positionsschalters (1) und einer Magnetfeldquelle, wobei an jedem Magnetfeldsensor ein der Stärke des diesen durchquerenden Magneffelds (6) entsprechendes Sensorsignal (8, 9, 10) abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (7) zwei Komparatoren (12, 13) zum Vergleichen der Stärke des jeweils einen der äußeren Magneffeldsensoren durchquerenden Magneffelds (6) mit der Stärke des den mittleren Magneffeldsensor durchquerenden Magneffelds (6) umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Positionsschalter, die beispielsweise an einem Fahrstuhlkorb montiert zum Erkennen einer absoluten Position entlang einer Verfahrachse innerhalb eines Fahrstuhlschachts verwendet werden, umfassen einen Magnetfeldsensor zum Detektieren des Magnetfelds eines ortsfest im Fahrstuhlschacht montierten Magneten und eine Auswerteschaltung, die in Reaktion auf einen ausreichend hohen magnetischen Fluß durch den Magnetfeldsensor ein Schaltsignal erzeugt. Bei diesen Positionsschaltern führt jedoch eine Bewegung quer zur Verfahrachse ebenso zu einer Änderung des Sensorsignals wie eine Bewegung entlang der Verfahrachse, so daß die Genauigkeit der Bestimmung der vertikalen Position im Fahrstuhlschacht vom Bewegungsspielraum quer zur Verfahrachse abhängt.

Aus der US 5 929 731 ist eine Sicherheitsschalteranordnung mit einem drei Magnete umfassenden Aktuator und einem drei in Reihe geschaltete magnetische Schalter umfassenden Sicherheitsschalter bekannt. Jeder der magnetischen Schalter ist durch ein Magnetfeld in einer vordefinierten Richtung aktivierbar und durch ein Magnetfeld in einer hierzu entgegengesetzten Richtung deaktivierbar. Der Sicherheitsschalter ist also durch Anordnung auf verschiedene Richtungen ansprechender magnetischer Schalter derart konfigurierbar, daß er nur durch einen mit entsprechend ausgerichteten Magneten kodierten Aktuator betätigbar ist.

Aus der DE 195 04 229 A1 ist ein Positionsschalter mit drei entlang einer Verfahrachse benachbart angeordneten Magnetfeldsensoren bekannt, bei dem die Signale der beiden äußeren Sensoren ein Meßfenster zur Auswertung des Signals des mittleren Sensors definieren. Das Signal des mittleren Sensors wird dabei mit einem Schwellenwert verglichen und bei Überschreiten des Schwellenwertes eine Positionsübereinstimmung zwischen dem Positionsschalter und dem Permanentmagneten festgestellt.

Ein aus der DE 197 12 829 A1 bekannter Positionsschalter umfaßt einen an einem entlang einer Verfahrachse beweglichen Gegenstand befestigten Magneten und zwei quer zur Verfahrachse angeordnete Magnetfeldsensoren, von denen einer die zur Verfahrachse parallele und der andere die zur Verfahrachse senkrechte Komponente des sie durchquerenden Magnetfeldes erfaßt. Eine Auswerteschaltung erzeugt ein Schaltsignal, wenn die parallele Komponente einen oberen Schwellenwert über- und gleichzeitig die senkrechte Komponente einen unteren Schwellenwert unterschreitet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Positionsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der eine Positionsbestimmung entlang der Verfahrachse mit einer von Bewegungen quer zur Verfahrachse im wesentlichen unabhängigen Genauigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Hierdurch wird ein Positionsschalter geschaffen, der durch Messen des Magnetfelds einer Magnetfeldquelle mit drei voneinander beabstandeten Magnetfeldsensoren gleichzeitig an drei entlang einer Verfahrachse, z.B. der z-Achse, voneinander beabstandeten Stellen und durch Vergleich der drei Sensorsignale die Feldkrümmung bestimmt und eine von Bewegungen quer zur Verfahrachse, z.B. in der x-y-Ebene, im wesentlichen unabhängige Positionsbestimmung entlang der Verfahrachse ermöglicht.

Die Magnetfeldquelle ist mit ihrer Nord-Süd-Achse vorzugsweise parallel zur Verfahrachse angeordnet und kann einen oder mehrere gegebenenfalls voneinander beabstandete Magneten, insbesondere Permanentmagneten, umfassen. Die Nord-Süd-Achse der Magnetfeldquelle bzw. einzelner Magneten der Magnetfeldquelle kann mit der Verfahrachse gegebenenfalls einen anderen Winkel einschließen.

Zweckmäßigerweise sind alle drei Magnetfeldsensoren in Reihe an eine Konstantstromquelle angeschlossene Hallsensoren, die als Sensorsignale jeweils eine Hallspannung bereitstellen. Vorzugsweise wird an dem mittleren Hallsensor eine negative Oftsetspannung eingestellt, um Rauschen bzw. Schalten bei feldfreien Bereichen zu unterdrücken. Auch an anderen Hallsensoren kann eine entsprechende Offsetspannung eingestellt sein. Es können jedoch auch beliebige andere Magnetfeldsensoren (z.B. Feldplatten) verwendet und kombiniert werden.

In der Praxis ist die Position entlang der Verfahrachse mit einer Genauigkeit von ± 1 mm erfaßbar, wobei die Entfernung quer zur Verfahrachse zwischen dem Positionsschalter und der Magnetfeldquelle etwa 2 bis 3 cm beträgt und Bewegungen quer zur Verfahrachse mehrere cm erreichen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Endung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1a zeigt schematisch einen Positionsschalter.
1b zeigt das Blockschaltbild des Positionsschalters aus 1a.
1c zeigt die Sensorsignale der Magneffeldsensoren des Positionsschalters aus 1a und das Schaltsignal als Funktion der Position des Positionsschalters entlang der Verfahrachse.
2a zeigt schematisch eine weitere Ausgestaltung eines Positionsschalters.
2b zeigt das Blockschaltbild des Positionsschalters aus 2a.
2c zeigt die Sensorsignale der Magneffeldsensoren des Positionsschalters aus 2a und das Schaltsignal als Funktion der Position des Positionsschalters entlang der Verfahrachse.
3a bis 3g zeigen weitere Ausgestaltungen von Positionsschaltern. 4 zeigt einen Magneffeldsensor.
Der in 1a dargestellte, beispielsweise an einem Fahrstuhlkorb befestigte Positionsschalter 1 umfaßt drei zweckmäßigennreise als Hallsensoren 2, 3, 4 ausgestaltete Magnetfeldsensoren, die entlang einer Verfahrachse z insbesondere gleich voneinander beabstandet sind. Eine zweckmäßigerweise einen Permanentmagneten 5 umfassende Magneffeldquelle ist mit ihrer Nord-Süd-Achse parallel zur Verfahrachse z ortsfest beispielsweise in einem Fahrstuhlschacht angeordnet und erzeugt ein um die Nord-Süd-Achse zentralsymmetrisches Magneffeld 6, wobei entsprechend der die Hallsensoren 2, 3, 4 senkrecht durchquerenden Komponente des Magnetfeldes 6 ein von einer Auswerteschaltung 7 zu verarbeitendes Sensorsignal 8, 9, 10 an den Hallsensoren 2, 3, 4 erzeugt wird, vgl. 1a und 1c. Da die magnetische Flußdichte der zu den Hallsensoren 2, 3, 4 senkrechten Komponente des Magnetfelds 6 als Funktion des Abstandes vom Mittelpunkt des Permanentmagneten 5 abfällt, weist jedes Sensorsignal 8, 9, 10 ein gegen ±∞ auf Null abfallendes Maximum auf. Die Maxima der Sensorsignale 8, 9, 10 sind wie in 1c dargestellt um den Abstand der Hallsensoren 2, 3, 4 gegeneinander verschoben. Die gestrichelten Linien deuten die Sensorsignale 8, 9, 10 bei Verschiebung des Positionsschalters 1 quer zur Verfahrachse z an.
Der Positionsschalter 1 befindet sich entlang der Verfahrachse z auf gleicher Position wie der Permanentmagnet 5, wenn das Sensorsignal 9 ein Maximum erreicht. Zweckmäßigenroeise wird von der Auswerteschaltung 7 ein Schaltsignal U_out erzeugt, wenn das Sensorsignal 9 größer als die Sensorsignale 8 und 10 ist, vgl. 1c.
Die Hallsensoren 2, 3, 4 sind vorzugsweise in Reihe an eine Konstantstromquelle 11 angeschlossen, vgl. 1b, und durch Versatz der Abgriffe für die Hallspannung gegenüber der Stromrichtung vorgespannt, vgl. 4. Die Auswerteschaltung 7 umfaßt einen Komparator 12 zwischen den Hallsensoren 2 und 3 und einen Komparator 13 zwischen den Hallsensoren 3 und 4, wobei die Ausgänge der Komparatoren 12, 13 an jeweils einen Eingang eines UND-Gatters 14 gekoppelt sind, das ausgangsseitig das Schaltsignal U_out erzeugt. Es können ein Komparator 15 und eine daran gekoppelte Signalquelle 16 vorgesehen sein, die ein Schwellensignal liefert, das mit dem Sensorsignal 9 des ebenfalls an den Komparator 15 gekoppelten Hallsensors 3 verglichen wird, wobei der Komparator 15 ausgangsseitig an einen dritten Eingang des UND-Gatters 14 angekoppelt ist, so daß das Schaltsignal U_out nur dann erzeugbar ist, wenn die Hallspannung an dem Hallsensor 3 einen Schwellenwert überschreitet.
Der in 2a gezeigte Positionsschalter 1 ist für eine Magnetfeldquelle mit einem mit seiner Nord-Süd-Achse senkrecht zur Verfahrachse z angeordneten Permanentmagneten 5 ausgestaltet. Das Blockschaltbild gemäß 2b entspricht dem Blockschaltbild aus 1b, jedoch weisen Sensorsignal 8, 9, 10 in dieser Anordnung zwei ein Minimum einschließende Maxima auf, vgl. 2c, wobei die Hallspannung im Minimum bei exakt senkrechter Ausrichtung zwischen Permanentmagnet 5 und Hallsensoren 2, 3, 4 auf 0 V abfällt. Das Schaltsignal wird erzeugt, wenn die Hallspannung an dem Hallsensor 3 die Hallspannungen an den Hallsensoren 2, 4 unterschreitet.
Zusätzlich zu den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen können die Magnetfeldquelle und die Magnetfeldsensoren in vielfältiger Konfiguration eingesetzt werden, wie beispielhaft anhand der in den 3a bis 3g gezeigten Ausgestaltungen illustriert wird.
3a zeigt einen Positionsschalter 1 mit drei Magnetfeldsensoren für die zur Verfahrachse z parallele Komponente des Magnetfeldes 6 und mit zwei Magneten 5, die einander mit gleichen Polen N gegenüberliegend entlang der Verfahrachse z angeordnet sind. Das Magnetfeld 6 in dieser Anordnung ist äquivalent zum Magnetfeld 6 in 2a.
3b zeigt einen Positionsschalter 1 mit zwei Magneten 5, deren Nord-Süd-Achsen sich kreuzen.
In den 3c und 3d weist der Positionsschalter 1 drei Magnetfeldsensoren für die Magnetfeldkomponente einer zur Verfahrachse z senkrechten Achse x auf. In den 3e und 3f weist der Positionsschalter 1 drei Magnetfeldsensoren für jeweils alle Vektorkomponenten des Magnetfelds 6 auf. Hierzu kann jeder Magnetfeldsensor beispielsweise drei senkrecht zueinander angeordnete Sensoren, z.B. in Reihe geschaltete Feldplatten, umfassen.
In 3g ist ein Positionsschalter 1 mit zwei äußeren Magnetfeldsensoren für die zur Verfahrachse z parallele Komponente des Magnetfeldes 6 und einem dazwischen angeordneten Magnetfeldsensor für eine zur Verfahrachse z senkrechte Komponente des Magnetfeldes 6 gezeigt.

Claims

Positionsschalter (1) für einen entlang einer vorbestimmten Verfahrachse (z) verfahrbaren Gegenstand, mit einer an drei entlang der Verfahrachse (z) benachbart angeordneten Magneffeldsensoren gekoppelten Auswerteschaltung (7) zum Erzeugen eines Schaltsignals (U_OUT) bei entlang der Verfahrachse (z) gleicher Position des Positionsschalters (1) und einer Magnetfeldquelle, wobei an jedem Magnetfeldsensor ein der Stärke des diesen durchquerenden Magneffelds (6) entsprechendes Sensorsignal (8, 9, 10) abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (7) zwei Komparatoren (12, 13) zum Vergleichen der Stärke des jeweils einen der äußeren Magneffeldsensoren durchquerenden Magneffelds (6) mit der Stärke des den mittleren Magneffeldsensor durchquerenden Magneffelds (6) umfaßt.
Positionsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneffeldsensoren zur Erfassung der zur Verfahrachse (z) parallelen Komponente des Magnetfeldes (6) ausgestaltet sind.
Positionsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneffeldquelle einen mit seiner Süd-Nord-Achse parallel zur Verfahrachse (z) angeordneten Magneten (5) umfaßt und das Schaltsignal (U_out) erzeugbar ist, wenn das Sensorsignal (9) des mittleren Magneffeldsensors die Sensorsignale (8, 10) der beiden anderen Magneffeldsensoren überschreitet.
Positionsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneffeldquelle einen mit seiner Süd-Nord-Achse senkrecht zur Verfahrachse (z) angeordnete Magneten (5) umfaßt und das Schaltsignal (U_out) erzeugbar ist, wenn das Sensorsignal (9) des mittleren Magnetfeldsensors die Sensorsignale (8, 10) der beiden anderen Magnetfeldsensoren unterschreitet.
Positionsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltsignal (U_out) nur erzeugbar ist, wenn das Sensorsignal (9) des mittleren Magneffeldsensors eine Schwelle überschreitet.
Positionsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Komparator (12) zwischen den ersten und zweiten und der andere Komparator (13) zwischen den zweiten und dritten Magneffeldsensor geschaltet ist, wobei die Ausgänge der Komparatoren (12, 13) an jeweils einen Eingang eines logischen Gatters (14) gekoppelt sind, das ausgangsseitig das Schaltsignal (Uout) erzeugt.
Positionsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Komparator (15) eingangsseitig an eine Signalquelle (16) für die Schwelle und an den mittleren Magnetfeldsensor und ausgangsseitig an einen dritten Eingang des logischen Gatters (14) angekoppelt ist.
Positionsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren Hallsensoren (2, 3, 4) sind.
Positionsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (2, 3, 4) in Reihe an eine Konstantstromquelle (11) angeschlossen sind und das Sensorsignal (8, 9, 10) die Hallspannung ist.
Positionsschalter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsensoren (2, 3, 4) vorgespannt sind.
Positionsschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgriffe für die Hallspannung in Richtung des Stromflusses gegeneinander verschoben sind.
Positionsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren Feldplatten sind.
Positionsschalter nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatoren (12, 13, 15) Operationsverstärker umfassen.
Positionsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldquelle mindestens einen Permanentmagneten (5) umfaßt.
Positionsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren gleich voneinander beabstandet sind.
Positionsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Gegenstand ein Aufzugkorb ist.