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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen passiven Magnetschalter sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Magnetfeldes gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Elektromagnetisch gesteuerte Schalter sind in vielen Bereichen der Technik üblich. Eine besondere Ausführung bilden hierbei Reed-Schalter oder Reed-Kontakte, die in einem von außen angelegten Magnetfeld einen elektrischen Kontakt schließen, und so den Schaltvorgang durchführen.
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Ein Reed-Relais oder ein Reed-Schalter ist ein Relais zum Schalten eines Stromkreises, welches mit einem Reed-Kontakt arbeitet. Reed-Schaltkontakte umfassen meist unter Vakuum oder Schutzgas in einen Glaskolben eingeschmolzene Kontaktzungen, die zugleich eine Kontaktfeder und einen zugehörigen Magnetanker bilden. Die Kontaktzungen werden meist aus metallbeschichtetem ferromagnetischem Material (z. B. Weicheisen) hergestellt. Bei einem von außen einwirkenden Magnetfeld erfolgt die Kontaktbetätigung, wobei das Magnetfeld von einem in die Nähe gebrachten Dauermagneten oder in einer zugehörigen Magnetspule elektrisch erzeugt werden kann. Durch das Magnetfeld ziehen sich die beiden Kontaktzungen an und schließen somit den Reed-Kontakt. Sobald das Magnetfeld abfällt bzw. eine bestimmte Feldstärke im Relais oder Reed-Kontakt unterschritten wird wirken die Kontaktzungen wie eine Feder und der Reed-Kontakt öffnet sich wieder.
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Ein besonderer Vorteil dieser Schalter besteht darin, dass diese Schaltung rein passiv funktioniert, und so im ausgeschalteten Zustand kein Strom oder ähnliche von außen zugeführte Energie nötig ist. Bei Anwesenheit eines äußeren Magnetfeldes schließen die beiden Kontaktzungen des Reed-Schalters und erzeugen so ein auswertbares Schaltsignal.
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Diese Schalter habe aber entscheidende Nachteile: Nur bei geringen Magnetfeldstärken von etwa 1 mT bis 200 mT schalten diese Schalter recht zuverlässig bei fast allen Orientierungen des Magnetfeldes in Bezugs zu den Kontaktzungen. Bei hohen Feldern werden die direkten Kräfte auf die Zungen so stark, dass in etwa der Hälfte der Orientierungen der Kontaktzungen zum Magnetfeld trotz Magnetfeld der Kontakt offen ist, in der anderen Hälfte geschlossen. Ein solches Schaltverhalten ist nur dann verwertbar, wenn die Orientierung zum Magnetfeld bekannt ist und geeignet ausgerichtet ist.
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Bei Anwendungen wie beispielswiese Herzschrittmachern, in die ein solcher Kontakt eingebaut ist, ist der Schaltzustand des Kontaktes je nach Orientierung im hohen Magnetfeld nicht vorhersagbar. Soll ein solches Gerät in hohen Magnetfeldern, beispielsweise im Bereich eines Mangetresonanztomographen, betreiben werden, so wäre es wünschenswert, wenn es einen Schalter gäbe, der bei allen Magnetfeldstärken unabhängig von der Orientierung zu den Kontaktzungen zuverlässig schaltet, und so das äußere Feld anzeigt. Um Strom zu sparen ist es sinnvoll nicht auf den passiven Charakter des Schalters zu verzichten.
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In der Veröffentlichung von
T. Frauenrath et al. "A simple cost-efficient magneto alert sensor (MALSE) against static magnetic fields" Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 18 (2010) wurde eine Anordnung von sich in drei in drei Raumrichtungen erstreckenden Reed-Kontakten vorgestellt. Eine solche Anordnung kann jedoch in sehr starken und vor allem homogenen starken Magnetfeldern Ausrichtungen aufweisen, in denen der Schalter mit den Reed-Kontakten trotz Anwesenheit eines Magnetfeldes offen steht. Diese hier vorgestellte Anordnung ist ferner dreidimensional aufgebaut und nicht platzsparend ausgelegt, und demnach nicht für alle Anwendungen, insbesondere nicht im medizinischen Bereich anwendbar. So ist insbesondere ein Einbau einer solchen Anordnung in ein Implantat wie einem Herzschrittmacher nicht praktikabel.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Magnetschalter sowie ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung eines Magnetfeldes zu schaffen,
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen passiven Magnetschalter mit folgenden Merkmalen:
- – zumindest einem ersten Reed-Kontakt, der sich in eine Erstreckungsrichtung erstreckt und der Kontaktzungen aufweist, die in eine erste Bewegungsrichtung bewegbar sind, um den ersten Reed-Kontakt zu schließen oder zu öffnen; und
- – zumindest einen zweiten Reed-Kontakt, der sich im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung erstreckt und der Kontaktzungen aufweist, die in eine zur ersten Bewegungsrichtung unterschiedliche zweite Bewegungsrichtung bewegbar sind, um den zweiten Reed-Kontakt zu schließen oder zu öffnen.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines Magnetfeldes unter Verwendung eines vorstehend beschriebenen passiven Magnetschalters, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
- – Bestimmen des Vorliegens einer auf den passiven Magnetschalter wirkenden Magnetfeldstärke, die über einer vordefinierten minimalen Magnetfeldstärke liegt, wenn zumindest einer der Reed-Kontakte des passiven Magnetschalters geöffnet ist und zumindest ein anderer der Reed-Kontakte des passiven Magnetschalters geschlossen ist.
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Auch schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Magnetfeldes, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
- – einen passiven Magnetschalter wie er vorstehend beschrieben wurde; und
- – eine Einheit zur Bestimmung des Vorliegens einer auf den passiven Magnetschalter wirkenden Magnetfeldstärke, die über einer vordefinierten minimalen Magnetfeldstärke liegt, wobei die Einheit zur Bestimmung ausgebildet ist, das Vorliegen der minimalen Magnetfeldstärke am passiven Magnetschalter dann zu erkennen, wenn zumindest einer der Reed-Kontakte des passiven Magnetschalters geöffnet ist und zumindest ein anderer der Reed-Kontakte des passiven Magnetschalters geschlossen ist.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine sehr zuverlässige Messung, insbesondere auch bei hohen Magnetfeldstärken, durch eine planare Schaltung möglich ist, wenn zumindest zwei Reed-Kontakte vorgesehen sind, die derart um ihre in Längserstreckungsachse gedreht angeordnet sind, dass ihre Kontaktzungen in unterschiedliche Bewegungsrichtungen bewegbar sind. Die beschriebenen Kontaktzungen verlaufen entlang der Achse beispielsweise des Glaskolbens bzw. den Achsen beispielsweise der Glaskolben. Typischerweise überlappen sie sich, um bei Anwesenheit eines Magnetfeldes elektrischen Kontakt herzustellen. Daraus ergibt sich, dass eine Drehung um diese Achse um andere Winkel als 360° in einer anderen Ausrichtung des Reed-Relais zum Magnetfeld resultiert. Die beiden Reed-Kontakte erstrecken sich dabei im Wesentlichen in eine gleiche Erstreckungsrichtung. Unter einer im Wesentlichen gleichen Erstreckungsrichtung kann eine Erstreckung der Reed-Kontakte in einem Toleranzbereich betrachtet werden, bei dem die Erstreckungsrichtung der beiden Reed-Kontakte um bis zu 45 Grad abweicht. Günstig ist es jedoch auch, wenn sich die beiden Reed-Kontakte in die jeweilige Erstreckungseinrichtungen oder Erstreckungsachse erstrecken, die um weniger als 45 Grad, beispielsweise um 30 Grad, auf 15 Grad oder um 0 Grad voneinander abweichen. Auch sind Abweichungen möglich, die zwischen den genannten Werten liegen. Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist jedoch darin zu sehen, dass die Kontaktzungen der beiden unterschiedlichen Reed-Kontakte in unterschiedliche Bewegungsrichtungen bewegbar sind. Auf diese Weise können einzelne Komponenten eines starken, auch homogenen Magnetfeldes (beispielsweise größer als 200 mT oder auch größer als 2 T) zuverlässig erfasst werden. In diesen starken Magnetfeldern ist dann beispielsweise einer der zumindest zwei Reed-Kontakte geschlossen, während der andere Reed-Kontakt geöffnet ist. Sind beide Reed-Kontakte geschlossen, ist vom Vorliegen eines Magnetfeldes um den passiven Magnetschalter auszugehen, dessen Stärke innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs liegt, beispielsweise von 1 mT bis 200 mT. Ist keiner der beiden Reed-Kontakte geschlossen, ist von einem Magnetfeld auszugehen, dass unterhalb der Toleranzgrenze des vorstehend genannten Wertebereichs liegt, beispielsweise kleiner als 1 mT ist oder dass kein Magnetfeld auf den passiven Magnetschalter wirkt.
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Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass nun nicht zwingend eine dreidimensionale Anordnung von Reed-Kontakten erforderlich ist, um ein starkes Magnetfeld zuverlässig zu erkennen. Vielmehr kann eine planare Anordnung von Reed-Kontakten vorgesehen sein, die zur Erkennung von starken Magnetfeldern eingesetzt werden kann. Dies bietet insbesondere Vorteile bei der Implementierung eines solchen passiven Magnetschalters in medizinische Applikationen, da der für solche passiven Magnetschalter erforderliche Bauraum sehr gering gehalten werden kann. Auf diese Weise wird ermöglicht, auch einen passiven Magnetschalter zu realisieren, der einerseits hohe Magnetfeldstärken zuverlässig erkennen kann, zugleich sehr energiearm ist und ferner wegen des geringen erforderlichen Bauraums für ein Implantat, beispielsweise einen Herzschrittmacher in der Medizin einsetzbar ist. Dieser passive Magnetschalterkönnte dann beispielsweise im medizinischen Implantat dazu verwendet werden, ein elektrisches Gerät wie den Herzschrittmacher auszuschalten, wenn ein Magnetfeld auf dieses Gerät wirkt, das eine Feldstärke aufweist, die über einem vorbestimmten Feldstärkewert liegt. Dies wiederum ermöglicht es, dass eine mögliche Fehlfunktion des elektrischen Geräts im Körper gesundheitsschädliche Auswirkungen verursacht.
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Günstig ist es auch wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Magnetschalter zumindest einen dritten Reed-Kontakt aufweist, der sich in eine zweite Erstreckungsrichtung erstreckt, die sich von der Erstreckungsrichtung unterscheidet. Die Richtung, in die sich der dritte Reed-Kontakt erstreckt, sollte vorteilhafterweise mit den Richtungen, in die sich der erste und zweite Reed-Kontakt erstecken, in einer Ebene liegen, damit der passive Magnetschalter günstig als planare Schaltung ausgelegt sein kann. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine noch sicherere Erkennung eines starken Magnetfeld möglich ist, da nun auch Magnetfeldkomponenten berücksichtigt und erkannt werden können, die in auf die Kontaktzungen des dritten Reed-Kontaktes wirken, der sich in die weitere (zweite) Erstreckungserrichtung erstreckt. Dabei kann die zweite Erstreckungsrichtung derart ausgerichtet sein, dass sie sich beispielsweise von der Erstreckungsrichtung um zumindest 45 Grad unterscheidet, wobei der erste und zweite Reed-Kontakt in die (erste) Erstreckungsrichtung ausgerichtet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Magnetschalter zumindest einen vierten Reed-Kontakt aufweisen, der sich im Wesentlichen in die zweite Erstreckungsrichtung erstreckt, wobei der vierte Reed-Kontakt Kontaktzungen aufweist, die in eine andere Bewegungsrichtung bewegbar sind, als Kontaktzungen des dritten Reed-Kontaktes. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass auch unterschiedliche Magnetfeldkomponenten zuverlässig detektiert werden können, die hauptsächlich eine Wirkung auf die Kontaktzungen in die zweite Erstreckungsrichtung verursachen. Hierbei kann sich die Erstreckungsrichtung des vierten Reed-Kontakts um einen Winkel von beispielsweise bis 45 Grad von einer Erstreckungsrichtung des dritten Reed-Kontakt abweichen, wobei dann noch der dritte und vierte Reed-Kontakt als im Wesentlichen in die zweite Erstreckungsrichtung ausgerichtet betrachtet werden können. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der dritte und vierte da Reed-Kontakt im Wesentlichen in einer Ebene mit dem ersten und zweiten Reed-Kontakt ausgerichtet sein sollten, um eine planare in Herstellung des passiven Magnetschalters zu ermöglichen und somit die Vorteile eines geringen erforderlichen Bauraums ausschöpfen zu können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Magnetschalter mindestens einen fünften Reed-Kontakt aufweisen, wobei der sich im Wesentlichen in die zweite Erstreckungsrichtung erstreckt, wobei der fünfte Reed-Kontakt Kontaktzungen aufweist, die in eine Bewegungsrichtung bewegbar sind, die sich von der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des vierte Reed-Kontaktes und/oder der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des dritten Reed-Kontaktes unterscheidet. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit des vorgestellten passiven Magnetschalters.
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Auch kann gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest einen weiteren Reed-Kontakt vorgesehen sein, der sich im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung erstreckt, wobei der weitere Reed-Kontakt Kontaktzungen aufweist, die in eine Bewegungsrichtung bewegbar sind, die sich von einer Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des ersten und/oder zweiten Reed-Kontaktes unterscheiden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit des Magnetschalters für eine Magnetfeldkomponente in die (erste) Erstreckungsrichtung. Insbesondere können hierbei Feldkomponenten sehr gut erfasst werden, für die die Kontaktzungen des ersten und/oder zweiten Reed-Kontakts nicht optimal ausgerichtet ist. Dies ermöglicht eine schnellere und zuverlässigere Erfassung eines starken Magnetfeldes, insbesondere wenn der passive Magnetschalter als mobiles Element der beispielsweise als Teil eines Herzschrittmachers ausgestaltet ist.
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Um eine möglichst gute, zuverlässige und schnelle Erkennung eines starken Magnetfeldes zu ermöglichen, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem Magnetschalter eine erste Gruppe von zumindest drei Reed-Kontakten vorgesehen sein, die sich im Wesentliche in Erstreckungsrichtung erstrecken, wobei der erste und zweite Reed-Kontakt Reed-Kontakte der ersten Gruppe sind und wobei sich die Bewegungsrichtungen der Kontaktzungen der einzelnen Reed-Kontakte der ersten Gruppe um einen Winkeloffset voneinander unterschieden, der durch 180° geteilt durch die Anzahl der Reed-Kontakte der ersten Gruppe bestimmbar ist oder wobei der Winkeloffset durch 360° geteilt durch die Anzahl der Reed-Kontakte der ersten Gruppe bestimmbar ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch den möglichst gleichmäßigen Winkeloffset eine möglichst hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass Magnetfeld um den passiven Magnetschalter auch schon beim Vorliegen von geringen Magnetfeldstärken präziser erkennen zu können.
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Ebenfalls kann für eine gute, zuverlässige und schnelle Erkennung eines starken Magnetfeldes gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine zweite Gruppe von zumindest drei Reed-Kontakten vorgesehen sein, die sich im Wesentliche in die zweite Erstreckungsrichtung erstrecken, wobei der dritte und/oder vierte Reed-Kontakt Reed-Kontakte der zweiten Gruppe sind und wobei sich die Bewegungsrichtungen der Kontaktzungen der einzelnen Reed-Kontakte der zweiten Gruppe um einen Winkeloffset voneinander unterschieden, der durch 180° geteilt durch die Anzahl der Reed-Kontakte der zweiten Gruppe bestimmbar ist oder wobei der Winkeloffset durch 360° geteilt durch die Anzahl der Reed-Kontakte der zweiten Gruppe bestimmbar ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch den möglichst gleichmäßigen Winkeloffset eine möglichst hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass Magnetfeld um den passiven Magnetschalter auch schon beim Vorliegen von geringen Magnetfeldstärken präziser erkennen zu können.
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Um eine zuverlässige und sichere Auswertung der erfassten Stellungen der einzelnen Reed-Kontakte zu ermöglichen können die die Reed-Kontakte zumindest teilweise in Serie schaltbar sein oder zumindest teilweise in Serie geschaltet sein. Insbesondere wenn ein Magnetfeld im vorstehend genannten Toleranzbereich vorliegt, sind alle Reed-Kontakte geschlossen. Dies kann bei einer Verschaltung in Serienschaltung sehr einfach erkannt werden. Überschreitet nun das um den Magnetschalter befindliche Magnetfeld den genannten Toleranzbereich, ist davon auszugehen, dass zumindest einer der Reed-Kontakte geöffnet ist. Eine solche Öffnung kann durch die genannte Serienschaltung sehr einfach und effizient erkannt werden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet dabei den Vorteil einer sehr hohen Zuverlässigkeit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Reed-Kontakte zumindest teilweise parallel schaltbar sein oder zumindest teilweise parallel schaltbar sein. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass insbesondere bei der Verwendung von einer Serienschaltung jedes der Reed-Kontakte mit einem (unterschiedlichen) Widerstand eine sehr präzise Erkennung derjenigen Reed-Kontakte möglich ist, die geschlossen sind. Hierbei kann beispielsweise eine Auswertung eines Gesamtwiderstands der parallelgeschalteten und mit Reihenwiderständen versehenen einzelnen Reed-Kontakte durchgeführt werden. Durch die unterschiedlichen Widerstände, die den einzelnen Reed-Kontakten in Serie geschaltet sind, wird beim Schließen von einzelnen Reed-Kontakten ein unterschiedlicher Gesamtwiderstand erzeugt, aus dem sich auf die einzelnen geschlossenen oder geöffneten Reed-Kontakte schließen lässt. Auf diese Weise ist es möglich die einzelnen starken Magnetfeldkomponenten in Bezug zur Lage des Magnetschalters zu erkennen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung zur prinzipiellen Anordnung von Reed-Kontakten zur Bildung eines passiven Magnetschalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines Magnetfeldes;
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung eventuell unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweiten Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal/den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal/den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal/Schritt oder nur das zweite Merkmal/Schritt aufweist.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zu finden, die in kleinen und in hohen, vor allem homogenen Magnetfeldern, zuverlässig das Vorliegen eines solchen Magnetfeldes durch einen geeigneten Schaltzustand des Magnetschalters zu erkennen. Der Schalter soll passiv funktionieren, das heißt er soll keinen Strom für den Schaltvorgang an sich verbrauchen. Im Wesentlichen wird daher ein passiver Magnetschalter für hohe Magnetfeldstärken in der nachfolgenden Beschreibung vorgestellt. Vorgestellt wird eine besondere planare Anordnung von Reed-Kontakten, die ein zuverlässiges Schaltverhalten auch bei hohen Feldstärken sicherstellt. In dieser Anordnung kann durch entsprechende Verschaltung erkannt werden, ob der Magnetschalter sich in keinem Feld, in einem moderaten Feld oder in einem hohen Magnetfeld befindet. Die Schaltanordnung funktioniert passiv und verbraucht für den Schaltvorgang keine Energieversorgung.
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1 zeigt eine prinzipielle Darstellung von Reed-Kontakten, um den passieren Magnetschalter 100 zu bilden. Hierbei ist eine erste Gruppe von Reed-Kontakten 110 und eine zweite Gruppe von Reed-Kontakten 120 vorgesehen, wobei in der 1 die Reed-Kontakte 110 der ersten Gruppe im Wesentlichen in horizontale Richtung und die Reed-Kontakte 120 der zweiten Gruppe im Wesentlichen in vertikale Richtung ausgerichtet sind. Dies bedeutet, dass die Reed-Kontakte 110 ersten Gruppe in eine (erste) Erstreckungsrichtung (entsprechend einer Längsachse 125 der Reed-Kontakte 110 der ersten Gruppe) ausgerichtet sind und die Reed-Kontakte 120 der zweiten Gruppe im Wesentlichen in eine zweite Erstreckungsrichtung (entsprechend einer Längsachse 127 der Reed-Kontakte 120 der ersten Gruppe) ausgerichtet sind. Dabei können die Reed-Kontakte einer Gruppe auch innerhalb eines Toleranzbereichs um die erste oder zweite Erstreckungsrichtung ausgerichtet sein, wobei beispielsweise der Toleranzbereich einen Winkelbereich von –45 Grad bis +45 Grad aufweisen kann. Ein weiterer Aspekt des in 1 dargestellten passieren Magnetschalters besteht darin, dass die Reed-Kontakte 110 der ersten Gruppe und die in Reed-Kontakte 120 der zweiten Gruppe im Wesentlichen in einer Ebene ausgerichtet sein können, so dass sie beispielsweise sehr einfach auf einer Leiterplatine 130 aufgebracht oder befestigt werden können. Auf diese Weise kann der passive Magnetschalter als Bauelement hergestellt werden, welches einen sehr geringen Platzbedarf aufweist.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Bewegungsrichtung von Kontaktzungen von zwei unterschiedlichen Reed-Kontakten 110 der der ersten Gruppe oder von zwei unterschiedlichen Reed-Kontakten 120 der zweiten Gruppe voneinander verschieden ist. Mit anderen Worten ausgedrückt sind als so zwei unterschiedliche Reed-Kontakte einer Gruppe um ihre Längsachse gedreht auf der Leiterplatine 130 angeordnet. Unter einer Längsachse eines Reed-Kontaktes kann dabei eine Achse durch den Reed-Kontakt vom Eingang einer Kontaktzunge des Reed-Kontaktes zu einem Eingang einer zweiten Kontaktzunge des Reed-Kontaktes verstanden werden. Die Längsachse eines Reed-Kontaktes kennzeichnet dabei auch die Erstreckungsrichtung des betreffenden Reed-Kontaktes.
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Eine solche Anordnung von unterschiedlichen Reed-Kontakten bewirkt, dass durch die unterschiedliche Ausrichtung der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen dieser Reed-Kontakte eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass auch bei sehr starken Magnetfeldern zumindest ein Reed-Kontakt so orientiert ist, dass auf ihn eine Magnetfeldkomponente wirkt, die ausreichend schwach oder stark ist, um die Kontaktzungen dieses Reed-Kontakts miteinander in Berührung zu bringen und dadurch den Reed-Kontakt (auch als Reed-Schalter bezeichnet) zu schließen. Es wird für den erfindungsgemäßen Ansatz also ausgenutzt, dass bei hohen Magnetfeldstärken, insbesondere von homogenen Magnetfeldern, eine Magnetfeldkomponente deutlich stärker ist, als eine Magnetfeldkomponente mit einer anderen Orientierung. Um einen passiven Magnetschalter zu erhalten, der sehr empfindlich ist und damit beim Eintritt in hohe Magnetfelder sehr schnell schalten kann ist, es umso besser, je mehr Orientierungen von Magnetfeldkomponenten überwacht werden können. Dies kann durch das Vorsehen der von mehreren um ihre Längsachse gedreht ausgerichteten Reed-Kontakten möglich werden, wie es in der 1 unter Verwendung von 8 Reed-Kontakten dargestellt ist. Dabei ist eine erste Gruppe von vier Reed-Kontakten 110a, 110b, 110c und 110d vorgesehen, wobei beispielsweise die Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des ersten Reed-Kontakts 110a gegenüber der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des zweiten Reed-Kontakts 110b um 90 Grad bezüglich der Längsachse der Reed-Kontakte verdreht ist. Analog ist die Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des zweiten Reed-Kontakts 110b gegenüber der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des dritten Reed-Kontakts 110c um 90 Grad bezüglich der Längsachse der Reed-Kontakte verdreht. Entsprechend ist auch die Bewegungsrichtung des vierten Reed-Kontakts 110d gegenüber der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des dritten Reed-Kontakts 110c um 90 Grad bezüglich der Längsachse der Reed-Kontakte verdreht.
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Beispielsweise können sich die Kontaktzungen des ersten Reed-Kontaktes 110a der ersten Gruppe in eine Richtung 133 bewegen, die in der Bewegungsrichtungsdarstellung aus 1 von unten nach oben dargestellt ist. Die Kontaktzungen des ersten Reed-Kontaktes 110a würden somit im Wesentlichen in der Zeichenebene der Darstellung aus 1 bewegen können. Demgegenüber können sich beispielsweise die Kontaktzungen des zweiten Reed-Kontaktes 110b der ersten Gruppe in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung 133 aufwärts bewegen, wie dies in der 1 durch die Darstellung des Kreises mit einem Punkt gekennzeichnet ist. Analog kann wiederum die Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des dritten Reed-Kontaktes 110c in der Zeichenebene der 1 ausgerichtet sein, beispielsweise derart, dass sich die Kontaktzungen dieses dritten Reed-Kontaktes 110c im Wesentlichen in der 1 nach unten dargestellten Bewegungsrichtung bewegen können. Die Bewegungsrichtung 133 der Kontaktzungen des vierten Reed-Kontaktes 110d der ersten Gruppe kann wiederum um 90° gegenüber der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des dritten Reed-Kontaktes 110c gedreht sein, so dass sich die Kontaktzungen des vierten Reed-Kontaktes beispielsweise im Wesentlichen in die Zeichenebene der 1 hinein bewegen lassen.
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Es ist jedoch auch möglich, dass beispielsweise nur drei Reed-Kontakte für eine erste Gruppe von Reed-Kontakten vorgesehen sind, wobei dann ein Winkeloffset von beispielsweise 120 Grad zwischen den Bewegungsrichtungen der Kontaktzungen der Reed-Kontakten einer solchen ersten Gruppe vorgesehen sein kann. Die Verwendung von gleichen Winkeloffsets zwischen den einzelnen Reed-Kontakten bzw. den Bewegungsrichtungen der jeweiligen Kontaktzungen der Reed-Kontakte weist dabei den Vorteil auf, dass möglichst alle Orientierungen von auftretenden Magnetfeldkomponenten mit einer gleichen Empfindlichkeit erfasst werden können, so dass es keine Magnetfeldkomponente gibt, bei deren Auftreten der hier vorgestellte Magnetschalter unempfindlicher ist, als für andere Magnetfeldkomponenten.
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Entsprechend können auch die Reed-Kontakte 120 der zweiten Gruppe ausgerichtet sein. In diesem Fall wäre eine zweite Gruppe von vier der Reed-Kontakten 120a, 120b, 120c und 120d vorgesehen, wobei beispielsweise die Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des fünften Reed-Kontakts 120 gegenüber der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des sechsten Reed-Kontakts 120b um 90 Grad bezüglich der Längsachse der Reed-Kontakte verdreht ist. Analog ist die Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des sechsten Reed-Kontakts 120b gegenüber der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des siebten Reed-Kontakts 120c um 90 Grad bezüglich der Längsachse verdreht. Entsprechend ist auch die Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des achten Reed-Kontakts 120d gegenüber der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des siebten Reed-Kontakts 120c um 90 Grad bezüglich der Längsachse der Reed-Kontakte verdreht. Es ist jedoch auch ebenfalls wieder möglich, dass beispielsweise nur drei Reed-Kontakte für eine zweite Gruppe von Reed-Kontakten vorgesehen sind, wobei dann ein Winkeloffset der Bewegungsrichtungen der jeweiligen Kontaktzungen der Reed-Kontakte von beispielsweise 120 Grad zwischen den Reed-Kontakten einer solchen zweiten Gruppe vorgesehen sein kann. Die vorstehend genannte Begründung für die Wahl eines gleichen Winkeloffsets zwischen den einzelnen Reed-Kontakten einer Gruppe gilt hier analog.
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Beispielsweise können sich die Kontaktzungen des fünften Reed-Kontaktes 120a der zweiten Gruppe in eine Richtung 133 bewegen, die in Bewegungsrichtungsdarstellung aus 1 von links nach rechts wiedergegeben ist. Die Kontaktzungen des fünften Reed-Kontaktes 120a der zweiten Gruppe würden somit in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung 135 aufwärts bewegen, wie dies in der 1 durch die Darstellung des Kreises mit einem Punkt gekennzeichnet ist. Analog kann wiederum die Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des siebten Reed-Kontaktes 120c in der Zeichenebene der 1 ausgerichtet sein, beispielsweise derart, dass sich die Kontaktzungen dieses siebten Reed-Kontaktes 110c im Wesentlichen in der 1 von rechts nach links dargestellten Bewegungsrichtung 135 bewegen können. Die Bewegungsrichtung 135 der Kontaktzungen des achten Reed-Kontaktes 120d der zweiten Gruppe kann wiederum um 90° gegenüber der Bewegungsrichtung der Kontaktzungen des siebten Reed-Kontaktes 120c gedreht sein, so dass sich die Kontaktzungen des achten Reed-Kontaktes 120d beispielsweise im Wesentlichen in die Zeichenebene der 1 hinein bewegen lassen.
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Auch ist es möglich, dass die erste Gruppe aus drei Reed-Kontakten besteht, während die zweite Gruppe aus vier Reed-Kontakten besteht oder wobei die erste Gruppe aus vier Reed-Kontakten und die zweite Gruppe aus drei Reed-Kontakten besteht. Auch können weitere Kombination einer unterschiedlichen Anzahl von Reed-Kontakten für die erste und zweite Gruppe verwendet werden. Zusätzlich können auch noch weitere Reed-Kontakte verwendet werden, die senkrecht zu den in der 1 dargestellten Reed-Kontakten der ersten und zweiten Gruppe angeordnet sind. In diesem Fall würde sich eine dreidimensionale Struktur oder Anordnung von Reed-Kontakten ergeben, die jedoch zu einer deutlichen Erhöhung des für eine solche Anordnung erforderlichen Bauraums führen würde.
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Prinzipiell ist es jedoch auch denkbar, dass lediglich eine Gruppe von Reed-Kontakten mit mindestens zwei Reed-Kontakten vorgesehen ist, die in ihrer Längsachse gedreht angeordnet sind, so dass sich die Kontaktzungen der beiden Reed-Kontakte in unterschiedliche Richtungen bewegen lassen. Dies stellt die einfachste Form der Erfindung dar, die auf dem hier vorgeschlagenen Prinzip der Ausnutzung der unterschiedlich starken Magnetfeldkomponenten zur sicheren Schaltung des passiven Magnetschalters basiert.
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Die gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht die im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgestellte Lösung in einer geometrischen Anordnung von in diesem Falle acht Reed-Schaltern oder Reed-Kontakten. Diese Schalter oder Kontakte sind jeweils in zwei Gruppen angeordnet. Die Ausrichtung der Längsachsen der Reed-Kontakte der beiden Gruppen ist um 90° gedreht in einer Ebene. Jede dieser Gruppe besteht aus vier einzelnen Reed-Schaltern, die jeweils um ihre Längsachse um 90° gedreht montiert sind, so dass die Kontaktzungen in vier verschiedenen Orientierungen innerhalb der Gruppe ausgerichtet sind. Auch kann eine Ausrichtung um 45° der einzelnen Reed-Kontakte der Gruppe vorgesehen sein.
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Die vorliegende Erfindung gemäß dem vorstehend vorgestellten Ausführungsbeispiel schafft somit eine Anordnung von Reed-Schaltern, die folgende positive Eigenschaften aufweist:
- – Sie ist rein passiv, benötigt also keine zusätzliche Energie die den Schaltbetrieb aufrecht erhält, wie z. B. im Fall der Verwendung von Hall-Sensoren.
- – Sie ist in der Lage den Schaltvorgang bei kleinen (die Feldstärke, bei der ein einzelner Kontakt schalten kann) und großen Magnetfeldstärken (größer als 2 T) zuverlässig bei allen Orientierungen zum äußeren Magnetfeld sicherzustellen.
- – Die vorgestellte Beispiellösung ist planar, also in einer Ebene aufgebaut, wodurch sich die Herstellungskosten aufgrund der Verwendungsmöglichkeit von technisch ausgereiften Schaltungsentwicklungsverfahren sehr gering halten lassen.
- – Durch eine leichte Umschaltung ist es möglich den Schalter nur bei bestimmten kleinen Magnetfeldstärken (etwa 10 mT bis 200 mT) schalten zu lassen; bei keinem oder sehr großem Feld ist er immer ausgeschaltet.
- – Es ist prinzipiell möglich, den Schalter so umzuschalten, dass zwischen keinem Feld, den bestimmten kleinen Magnetfeldstärken und den großen Magnetfeldstärken unterschieden werden kann. Es ist so eine Möglichkeit geschaffen, durch einen passiven Schalter eine elektrische Schaltung mit dieser Information zu versorgen.
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Natürlich sind auch andere Aufbauten, insbesondere nicht planare Lösungen denkbar.
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Um nun das um den passiven Magnetschalter anliegende Feld erfassen zu können ist jedoch eine Auswerteschaltung vorzusehen, wie sie beispielsweise in der 1 durch die Einheit 140 gebildet ist. Diese Auswerteeinheit 140 ist mit mehreren oder allen Reed-Kontakten 110 bzw. 120 verbunden, das heißt beide Anschlüsse der mit der Auswerteeinheit 140 verbundenen Reed-Kontakte sind zu der Auswerteeinheit 140 geführt. In der Auswerteeinheit 140 ist entweder eine feste oder eine variable Verdrahtung der Anschlüsse der betreffenden Reed-Kontakte vorgesehen. Um nun das um den passieven Magnetschalter herum vorliegende Magnetfeld oder die Stärke dieses Magnetfeldes zu erfassen, können unterschiedliche Schaltungen beziehungsweise Schaltmöglichkeiten verwendet werden, die nachfolgend näher beschrieben werden. Diese unterschiedlichen Verschaltungen bzw. Verschaltungsmöglichkeiten können, wie bereits genannt, fest vorgegeben sein oder variabel verändert werden. Auch kann eine Verdopplung des in 1 dargestellten Aufbaus vorgesehen sein, wobei in einer Anordnung die einzelnen Reed-Kontakte des passiven Magnetschalters in einer ersten Verschaltungsvariante oder Schaltmöglichkeit fest verknüpft sind und in einer zweiten Anordnung die einzelnen Reed-Kontakte des passiven Magnetschalters in einer zweiten Verschaltungsvariante oder Schaltmöglichkeit fest verknüpft sind.
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Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die Verschaltung der in 1 dargestellten Reed-Kontakte. Es ist jedoch für einen Fachmann offensichtlich, dass die nachfolgend näher dargestellten Verschaltungsmöglichkeiten sich auch auf andere Konfigurationen von Reed-Kontakten beziehen können, die in einer ersten und/oder zweiten Gruppe gemäß den vorstehenden Ausführungen angeordnet sind.
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Schaltmöglichkeit 1: Parallel-Schaltung der Reed-Kontakte
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Sind alle acht Reed-Schalter des passiven Magnetschalters aus 1 elektrisch parallel geschalten, reicht es die Bestimmung für das gesamte Schaltverhalten und somit für die Bestimmung des Magnetfeldes und/oder der Stärke des Magnetfeldes um den passiven Magnetschalter aus, das einer der Schalter schaltet. Es gibt keine Position zu einem Magnetfeld oder keine Magnetfeldkomponente mit ausreichender Stärke, bei der alle Schalter auf „Aus” stehen, das gilt insbesondere für starke Magnetfelder. Dies wurde bei verschiedenen Feldstärken bis 2 T auch experimentell nachgewiesen. Der passive Magnetschalter mit einer solchen Verschaltungsvariante der Reed-Kontakte schaltet zuverlässig ein bei allen Feldstärken.
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Schaltmöglichkeit 2: Serielle Schaltung der Reed-Kontakte
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Nur bei kleinen Feldstärken (etwa 10 mT bis 200 mT) ist es bei dieser Verschaltungsvariante der Reed-Kontakte möglich, dass alle einzelnen Schalter, d. h. Reed-Kontakte gleichzeitig schalten. Bei hohen Feldern erfährt mindesten ein Schalter eine Magnetfeldkomponente in einer Orientierung, so dass dieser Reed-Kontakt auf „Aus” geschalten ist. Die wurde bei verschiedenen Feldstärken bis 2 T auch experimentell nachgewiesen. Der passive Magnetschalter mit einer solchen seriellen Verschaltung der Reed-Kontakte schaltet ohne Feld und bei starken Magnetfeldern in den Zustand „Aus”, nur bei kleinen Magnetfeldern lässt er sich einschalten.
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Schaltmöglichkeit 3: Parallel-Schaltung mit differenzierter Auslesung
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Eine einfache Möglichkeit bei der parallelen elektrischen Verschaltung gemäß der vorstehend unter Schaltmöglichkeit 2 beschriebenen Variante abzufragen, ob es sich um ein bestimmtes kleines Magnetfeld handelt, oder um eine starkes, oder eben gar kein äußeres Magnetfeld, ist die differenzierte Auslesung der Einzelschalter. Ist keiner der Schalter oder Reed-Kontakte eingeschaltet, so liegt kein Magnetfeld vor. Sind alle Schalter an, so handelt es sich um ein bestimmtes kleines Magnetfeld. Sind einige, aber nicht alle an, so handelt es sich um ein starkes Magnetfeld.
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Eine einfache Lösung ist zum einen das Auslesen jedes einzelnen Schalters. Dies würde natürlich bei hohen Magnetfeldern bedeuten, dass immer alle Schalter individuell abgefragt werden müssten. Eine besonders elegante Methode besteht darin z. B. wenn jedem Einzelschalter ein unterschiedlicher Widerstand in Reihe schaltet wird, und dann die Reihenschaltungen der Reed-Kontakte mit den jeweils unterschiedlichen Widerständen elektrisch parallel geschaltet wird. Ohne Magnetfeld ist dieser passive Magnetschalter mit einer solchen Verschaltungsvariante hochohmig, also äquivalent zu einem offenen Kontakt, und damit rein passiv. Bei Anwesenheit eines Magnetfeldes hängte der gesamte Widerstand von der Anzahl der geschlossenen Reed-Kontakte ab, ist also durch eine einzelne Widerstandsmessung zugänglich. Sind die einzelnen Widerstände, die den Reed-Kontakten in Reihe geschaltet werden, voneinander unterschiedlich, so wird sich je nachdem, welche Reed-Kontakte geschlossen sind, ein anderer Gesamtwiderstandswert ergeben. Die möglichen Gesamtwiderstände können dabei entweder durch eine Zuordnungstabelle hinterlegt werden, in der abgespeichert ist, welcher Gesamtwiderstand bei welcher Schalterstellung der einzelnen Reed-Kontakte erzielbar ist. Hierdurch ist es möglich, durch eine einzige Widerstandsmessung zu erkennen, welche der Reed-Kontakte geschlossen und welche geöffnet sind.
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Alternativ kann auch eine Reihenschaltung von einem einheitlichen Widerstand für jeden der Reed-Kontakte erfolgen. Dies bietet dann zwar nicht mehr die Möglichkeit, durch die Auswertung des gemessenen Gesamtwiderstandes auf die geöffnete oder geschlossene Stellung der betreffenden Reed-Kontakte zu schließen, jedoch kann die Anwesenheit eines Magnetfeldstärkebereichs auch hierdurch erkannt werden. Bei einer Wahl von z. B. 1000 Ohm als seriellem Widerstand für jeden der Reed-Kontakte kann der minimal mögliche Widerstand von 125 Ohm als Gesamtwiderstand des passiven Magnetschalters nur mit bestimmten kleinen Feldern erzeugt werden, wenn alle Reed-Kontakte geschlossen sind und daher durch die Parallelschaltung eine Reduzierung des Gesamtwiderstandes gegenüber den Serienwiderstand eines Reed-Kontaktes erreicht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Verfahren 200 zu Bestimmung eines Magnetfeldes wie es als Ablaufdiagramm in der 2 dargestellt ist, wobei das Verfahren 200 einen passiven Magnetschalter gemäß der vorstehenden Beschreibung verwendet. Dabei wird zunächst in einem Schritt des Erfassens 210 erfasst, welche oder ob einer oder mehrere der Reed-Schalter des passiven Magnetschalters geschlossen oder geöffnet sind. Aus den erfassten Schalterstellungen d. h. den Schaltzuständen der Reed-Kontakte kann dann in einem Schritt des Bestimmens 220 das Vorliegen einer auf den passiven Magnetschalter wirkenden Magnetfeldstärke bestimmt werden, die über einer vordefinierten minimalen Magnetfeldstärke liegt, wenn zumindest einer der Reed-Kontakte des passiven Magnetschalters geöffnet ist und zumindest ein anderer der Reed-Kontakte des passiven Magnetschalters geschlossen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- T. Frauenrath et al. ”A simple cost-efficient magneto alert sensor (MALSE) against static magnetic fields” Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 18 (2010) [0007]
