DE4237929A1 - Näherungsschalter mit einem Magnetfeld-Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Näherungsschalter mit einem Magnetfeld-Sensor, welcher in fester räumlicher Beziehung zu einem zweipoligen Dauermagneten angeordnet und mit ei­ ner Schalteinrichtung verbunden ist, wobei durch Annähe­ rung eines Auslösekörpers an den Dauermagneten die magne­ tische Induktion am Magnetfeld-Sensor veränderbar und zu einer Änderung des Schaltzustandes der Schalteinrichtung auswertbar ist.

Aus der US-PS 4 295 118 ist eine Schalteinrichtung be­ kannt, bei der ein Hall-Sensor auf einem Pol eines Dauer­ magneten angeordnet ist. Um den Schalter zu betätigen, ist dort ein zweiter, beweglicher Dauermagnet oder ein wahl­ weise erregbarer Elektromagnet vorgesehen, der das Feld des erstgenannten Magneten umpolt und durch die Induk­ tionsänderung am Hall-Sensor die Schalteinrichtung aus­ löst. Die Verwendung des zweiten Magneten macht diese be­ kannte Einrichtung allerdings verhältnismäßig aufwendig, zumal bei der Verwendung als Näherungsschalter der zweite Magnet auf einem beweglichen Teil angeordnet sein müßte.

Aus der US-PS 5 045 920 ist weiterhin ein Annäherungs­ schalter mit einem Hall-Differenz-Schaltkreis bekannt, bei dem zwei Hall-Sensoren in einem bestimmten Abstand vonein­ ander angeordnet sind und die Schaltbedingung durch das Auftreten oder Verschwinden einer vorgegebenen Differenz der magnetischen Induktion an beiden Sensoren gegeben ist. Die Auslösung kann in diesem Fall durch einen ferromagne­ tischen Auslösekörper erfolgen. Allerdings ist die Schalt­ anordnung insofern aufwendig, als zwei Hall-Sensoren mit gleichen Kennwerten verwendet werden müssen, deren Ab­ gleich auf eine Nulldifferenz als Ausgangspunkt zusätzli­ chen Justieraufwand erfordert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Nähe­ rungsschalter mit wenigen einfachen Bauteilen zu schaffen, der kostengünstig ist, wenig Platz beansprucht und für die Schaltfunktion mit einem einzigen Magnetfeld-Sensor aus­ kommt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Magnetfeld-Sensor seitlich nahe dem, insbesondere an dem Dauermagneten in der Nähe der neutralen Zone zwischen beiden Polen des Dauermagneten positioniert ist und daß durch Annäherung eines ferromagnetischen Auslösekörpers beziehungsweise durch Entfernung des Auslösekörpers von dem Dauermagneten jeweils eine zur Umschaltung der Schalt­ einrichtung auswertbare Änderung der magnetischen Induk­ tion an dem Magnetfeld-Sensor erzeugt wird.

Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß der Magnetfeld- Sensor seitlich nahe dem, insbesondere an dem Dauermagne­ ten parallel zur Tangente der Flußlinien des Dauermagneten positioniert ist und daß durch Annäherung eines ferroma­ gnetischen Auslösekörpers beziehungsweise durch Entfernung des Auslösekörpers von dem Dauermagneten jeweils eine zur Umschaltung der Schalteinrichtung auswertbare Änderung der magnetischen Induktion an dem Magnetfeld-Sensor erzeugt wird.

Der erfindungsgemäße Näherungsschalter benötigt also le­ diglich einen einzigen Dauermagneten und einen einzigen Magnetfeld-Sensor. Der letztere ist nicht, wie sonst üb­ lich, auf einer Polfläche des Dauermagneten angeordnet, sondern seitlich an diesem und mehr oder weniger im neu­ tralen Bereich zwischen beiden Polen. Der Schaltbereich an einer Polfläche, der von dem ferromagnetischen Auslösekör­ per eingenommen wird, ist somit unabhängig von der Anord­ nung des Magnetfeld-Sensors. Die aktive Fläche an dem Pol kann dabei vollständig von dem Auslöseteil überdeckt wer­ den, ohne daß dadurch der Schaltbereich beeinflußt wird. Bei seitlicher Montage auf einer ferromagnetischen Platte ist kaum eine Änderung des Schaltbereiches wahrzunehmen. Bei dieser Anordnung von Dauermagnet und Magnetfeld-Sensor ist auch sichergestellt, daß der Schalter nicht in uner­ wünschter Weise durch kleine Objekte, beispielsweise durch Späne, ausgelöst wird. Die Toleranzen und die Temperatur­ drift sind hierbei ebenfalls geringer als bei Schaltern mit Magnetfeld-Differenzmessungen. Der Schalter kann im übrigen als Öffner oder als Schließer ausgeführt sein. Bei Verwendung eines bistabilen Magnetfeld-Sensors ist es im übrigen möglich, durch Annäherung eines Auslösekörpers an einen Pol den Schalter einzuschalten und durch Annäherung an den anderen Pol ihn wieder auszuschalten.

Der Magnetfeld-Sensor wird zweckmäßigerweise in Form eines handelsüblichen integrierten Schaltkreises verwendet, der bereits die Auswerteschaltung enthält. Dieser IC oder Ma­ gnetfeld-Chip kann bei der Anordnung seitlich am Dauerma­ gneten entweder genau auf die neutrale Zone eingestellt oder auch etwas gegenüber dieser neutralen Zone versetzt positioniert werden. Dadurch kann die magnetische Induk­ tion im Ruhezustand entweder auf Null oder auf einen vor­ gegebenen Wert eingestellt werden, um für den Auslösezu­ stand die magnetische Induktion in einem Bereich zu erhal­ ten, in welchem entsprechend den Kennwerten des Magnet­ feld-IC′s dessen Schwellenwerte für das Einschalten und für das Ausschalten liegen.

Die Justierung kann im übrigen nicht nur durch mechani­ sches Verschieben zwischen Magnet und Magnetfeld-Sensor, sondern auch durch magnetischen Abgleich des Dauermagne­ ten, also durch Änderung der Stärke oder der Richtung des Magnetvektors, erreicht werden.

Obwohl für die Funktion als Näherungsschalter ein einziger Magnetfeld-Sensor genügt, kann in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen werden, daß ein zweiter Magnetfeld- Sensor dem erstgenannten diametral gegenüberliegend seit­ lich an dem Dauermagneten angeordnet wird. In diesem Fall kann aus der zeitlichen Folge der von beiden Sensoren ab­ gegebenen Signale die Annäherungsrichtung des Auslösekör­ pers erkannt werden. Der Näherungsschalter dient in diesem Fall also auch zur Richtungserkennung und stellt fest, ob ein Objekt sich beispielsweise von links oder von rechts nähert.

Als Magnetfeld-Sensor kann je nach den Anwendungsbedingun­ gen ein Hall-Sensor oder ein Magnetoresistor (eine Feld­ platte) Verwendung finden. Auch andere magnetfeldempfind­ liche Elemente, wie Magnetfelddioden und dergleichen sind denkbar.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipanordnung eines Dauermagneten mit ei­ nem Magnetfeld-IC und einem Auslösekörper,

Fig. 2 einen idealisierten Verlauf der magnetischen In­ duktion seitlich vom Magneten ohne Auslösekörper und mit einem ferromagnetischen Auslösekörper,

Fig. 3 den Verlauf der magnetischen Induktion an einem feststehenden Magnetfeld-Sensor in Abhängigkeit vom Ab­ stand eines ferromagnetischen Auslösekörpers,

Fig. 4 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Näherungsschal­ ters in einem Gehäuse,

Fig. 5 den funktionellen Aufbau eines bei dem Näherungs­ schalter verwendeten Magnetfeld-IC′s,

Fig. 6 eine Prinzipanordnung eines Näherungsschalters zur Richtungsbestimmung mit zwei Magnetfeld-Sensoren und

Fig. 7 den prinzipiellen Signalverlauf an den Ausgängen der beiden Magnetfeldsensoren von Fig. 6.

Fig. 8 bis 13 weitere erfindungsgemäße Anordnungen eines Dauermagneten mit einem Magnetfeld-IC und einem Auslöse­ körper.

Die Fig. 1 zeigt schematisiert die Anordnung der wesent­ lichen Bauteile für einen Magnetfeld-Näherungsschalter. An einem zweipoligen Dauermagneten 1 mit rundem, wahlweise auch eckigem Querschnitt, ist seitlich ein Magnetfeld-Sen­ sor 2, beispielsweise ein Hall-Sensor angeordnet, der zu­ sammen mit einer Auswerteschaltung in einem Magnetfeld-IC 3 enthalten ist. Ein solcher Magnetfeld-IC ist handelsüblich. Der grundsätzliche Aufbau mit einem Funktionsbild ist in Fig. 5 gezeigt. In der Regel besitzt der IC drei Anschlüsse, einen Versorgungsanschluß 31, einen Massean­ schluß 32 und einen Signalausgang 33. Im Inneren ist dem Magnetfeld-Sensor 2 eine Schwellenwertschaltung (Schmitt- Trigger) 21 mit Hysterese-Charakteristik und ein Halblei­ terschalter 22 nachgeschaltet. Erreicht die magnetische Induktion am Magnetfeld-Sensor 2 den jeweiligen Schwellen­ wert des Schwellenwertschalters 21, wird der Halbleiter­ schalter 22 durchgeschaltet oder gesperrt.

Der Magnetfeld-IC 3 kann am Dauermagneten 1 so angeordnet werden, daß der Magnetfeld-Sensor 2 genau in der neutralen Zone zwischen beiden Polen liegt, welche durch die gestri­ chelte Linie 1a angedeutet ist. Dann wirkt am Magnetfeld- Sensor im Ruhezustand keine magnetische Induktion. Der Ma­ gnetfeld-IC kann aber auch je nach den Umständen in der Richtung L nach "+", oder "-" verschoben werden, so daß be­ reits im Ruhezustand eine bestimmte magnetische Induktion am Magnetfeld-Sensor anliegt. Wie sich diese Verschiebung in der Richtung L auswirkt, ist anhand des Induktionsver­ laufs in Fig. 2 zu sehen. Die durchgezogene Kurve b0 zeigt den Verlauf der Induktion an der Außenseite des Dauermagneten, solange kein Auslösekörper in der Nähe ist. Befindet sich der Magnetfeld-Sensor 2 genau in der neutra­ len Zone 1a, so ist die Induktion gleich Null. Je nach Verschiebung in Richtung +L oder -L ergibt sich der dar­ gestellte Kurvenverlauf einer positiven oder negativen In­ duktion mit einem Maximum jeweils im Bereich der Pole. Nä­ hert man nun einen ferromagnetischen Auslösekörper 4 (Fig. 1) an einen Pol des Dauermagneten an, so verschiebt sich der Verlauf der magnetischen Induktion im Sinne der in Fig. 2 gestrichelt gezeichneten Kurve b1. Wenn der Ma­ gnetfeld-Sensor 2 sich im Nullpunkt, also in der neutralen Zone befindet, so ist bei Annäherung des Auslösekörpers 4 in einer vorgegebenen Position nunmehr am Magnetfeld-Sen­ sor eine magnetische Induktion B meßbar, die gemäß Fig. 2 einen Wert von Delta B besitzt. Liegt dieser Wert von Del­ ta B über dem Schwellenwert des Magnetfeld-IC′s 3, so wird der Näherungsschalter umgeschaltet bzw. ausgelöst.

Es ist aber auch möglich, den Magnetfeld-Sensor nicht exakt in die neutrale Zone zu positionieren, sondern bei­ spielsweise auf den Punkt A (Fig. 2). In diesem Fall liegt im Ruhezustand bereits eine negative Induktion B an ihm an, während bei Annäherung des Auslösekörpers 4 ein bestimmter positiver Induktionswert erreicht wird. Auf diese Weise läßt sich der Magnetfeld-Sensor so einjustie­ ren, daß bei Annäherung des Auslösekörpers jeweils gerade die Schwellenwerte (mit Hysterese) für das Umschalten des Magnetfeld-IC′s erreicht werden.

Fig. 3 zeigt in einem weiteren Diagramm einen möglichen Verlauf der magnetischen Induktion B bei einem fest posi­ tionierten Magnetfeld-Sensor in Abhängigkeit von der Annä­ herung des Auslösekörpers 4. Auf der waagrechten Achse ist der Abstand z in Fig. 1 zwischen dem Auslösekörper 4 und dem Nordpol des Dauermagneten 1 aufgetragen. Darüber zeigt die Kurve b den Verlauf der magnetischen Induktion B. Man erkennt, daß der Magnetfeld-Sensor sich nicht genau in der neutralen Zone befindet. Denn bei Entfernung des Auslöse­ körpers wird die Induktion nicht zu Null, sondern nähert sich an einen Wert von etwa 200 G an. Bei stärkerer Annä­ herung des Auslösekörpers an den Pol (weniger als 2 mm) verringert sich die magnetische Induktion, geht bei etwa 0,5 mm durch die Nullachse und wird dann negativ. Bei dem gezeigten Beispiel mit den lediglich für ganz bestimmte Verhältnisse gültigen Zahlen wird angenommen, daß die Schaltschwellen des Magnetfeld-IC′s 3 für das Einschalten (B1) und für das Ausschalten (B2) die folgenden Werte an­ nehmen:
B1 = 100 G
B2 = 150 G.

Entsprechend schaltet der Magnetfeld-IC ein, wenn der Ab­ stand z des Auslösekörpers vom Dauermagneten 1 mm beträgt, und er schaltet aus, wenn der Abstand z etwa 1,4 mm be­ trägt. Es sei betont, daß diese Werte natürlich nur für ganz bestimmte Verhältnisse und für einen bestimmten Schaltkreis gelten. Je nach den verwendeten Bauteilen wer­ den natürlich auch die Schaltschwellen andere Werte der Induktion und des Abstandes aufweisen.

In Fig. 4 ist grundsätzlich ein möglicher Aufbau für ei­ nen erfindungsgemäßen Näherungsschalter gezeigt. Auf einer Leiterplatte 5 mit Anschlußleitungen 6 ist der Magnetfeld- IC 3 mit dem bereits erwähnten Aufbau gemäß Fig. 5 so an­ geordnet, daß der seitlich von dem Dauermagneten 1 in der Nähe von dessen neutraler Zone zu liegen kommt. Die Lei­ terplatte besitzt weitere Schaltungsbauteile, beispiels­ weise einen Widerstand 7 und einen Kondensator 8, die bei­ spielsweise den Magnetfeld-IC gegen Überlastung schützen. Die Leiterplatte ist im übrigen in einem Gehäuse 9 unter­ gebracht, das lediglich in seinen Umrissen angedeutet ist. Dieses Gehäuse besitzt natürlich eine nicht dargestellte Struktur zur Halterung der Leiterplatte und insbesondere auch zur Führung und Halterung des Dauermagneten 1. Zweck­ mäßigerweise ist dabei die Konstruktion so getroffen, daß der Dauermagnet 1 und der Magnetfeld-IC 3 relativ zueinan­ der zur Justierung verschoben werden können. Beispielswei­ se wird der Dauermagnet 1 in einem Führungskanal kraft­ schlüssig gehalten, so daß er zur Justierung verschoben werden kann. Nach der Justierung kann beispielsweise der Dauermagnet bzw. der gesamte Aufbau in dem Gehäuse fi­ xiert, etwa mit Gießharz vergossen, werden.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Nähe­ rungsschalters beschrieben, bei dem im Vergleich zu Fig. 1 ein zusätzlicher Magnetfeld-Sensor 13, und zwar dem Ma­ gnetfeld-Sensor 3 diametral gegenüberliegend an der Außen­ seite des Dauermagneten 1, angeordnet ist. Mit diesen zwei Magnetfeld-Sensoren kann die Annäherungsrichtung des Aus­ löseteiles 4 erkannt werden. In Fig. 6 sind gestrichelt bzw. strichpunktiert die jeweiligen Schaltbereiche 10 und 11 der beiden Magnetfeld-Sensoren 3 und 13 angedeutet. D. h., wenn das Auslöseteil 4 bei Annäherung in Richtung s den Bereich 10 durchsetzt, spricht der erste Magnetfeld- Sensor 3 an; wenn das Auslöseteil 4 den Bereich 11 durch­ setzt, spricht der zweite Magnetfeld-Sensor 13 an. Das von dem jeweiligen Magnetfeld-Sensor 3 bzw. 13 erzeugte digi­ tale Ausgangssignal A3 bzw. A13 ist in Fig. 7 aufgezeich­ net. Man erkennt, daß bei einer Annäherung des Auslösetei­ les 4 in Richtung s in Fig. 6 zunächst das Ausgangssignal A3 des Magnetfeld-Sensors 3 den Pegel 1 erreicht, während das Ausgangssignal A13 diesen Pegel 1 erst später ein­ nimmt. Entsprechend verläßt das Auslöseteil den Schaltbe­ reich des Sensor 3 früher als den Schaltbereich des Sen­ sors 13. Über ein geeignetes Logik-Bauelement, beispiels­ weise ein D-Flipflop, kann der Schaltimpuls des jeweils ersten Magnetfeld-Sensors gespeichert werden, um so die Annäherungsrichtung des Auslöseteiles anzuzeigen.

Weitere Ausführungsformen eines Näherungsschalters, bei denen der Magnetfeld-Sensor nicht in der Front zwischen zwei gegeneinander gerichteten Magnetfeldern, sondern parallel mit der Tangente der Magnetflußlinien angeordnet ist, sind in den Fig. 8, 9, 11 und 12 angedeutet. Bei diesem Anordnungsprinzip verziehen sich die Feldlinien durch asymmetrische Änderung durch das umliegende Medium mittels des Auslösekörpers und laufen dann nicht mehr mit dem Sensor parallel. Nur die entstehende senkrechte Magnetflußkomponente wird vom Sensor wahrgenommen und ausgewertet.

Im Gegensatz dazu ist der Magnetfeld-Sensor in Fig. 10 in der neutralen Zone, jedoch gegenüber der Seite des Dauer­ magneten beabstandet, angeordnet. In Fig. 13 ist der plättchenförmige Magnetfeld-Sensor in Axialrichtung von einem Pol wegstehend angeordnet, so daß ein Gleichgewicht zwischen den unter- wie oberhalb des Sensors vorbeifließen­ den Flußlinien besteht, das durch Annäherung an eine Seite des Magneten gestört wird. Die aktive Fläche, über die das Gleichgewicht der Magnetfelder gestört wird, befindet sich bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 10 bis 13 nicht an der Polfläche, sondern seitlich am Magneten.

Claims (9)

1. Näherungsschalter mit einem Magnetfeld-Sensor (2) wel­ cher in fester räumlicher Beziehung zu einem zweipoligen Dauermagneten (1) angeordnet und mit einer Schaltungsein­ richtung (21, 22) verbunden ist, wobei durch Annäherung eines Auslösekörpers (4) an den Dauermagneten (1) die ma­ gnetische Induktion am Magnetfeld-Sensor (2) veränderbar und zu einer Änderung des Schaltungszustandes der Schal­ tungseinrichtung auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeld-Sensor (2) seitlich nahe dem, insbesondere an dem Dauermagneten (1) in der Nähe der neutralen Zone (1a) zwischen beiden Polen des Dauermagneten positioniert ist und daß durch Annäherung eines ferromagnetischen Auslöse­ körpers (4) beziehungsweise durch Entfernung des Aus­ lösekörpers (4) von dem Dauermagneten (1) jeweils eine zur Umschaltung der Schalteinrichtung (21, 22) auswert­ bare Änderung der magnetischen Induktion (B) an dem Ma­ gnetfeld-Sensor (2) erzeugt wird.

2. Näherungsschalter mit einem Magnetfeld-Sensor (2) wel­ cher in fester räumlicher Beziehung zu einem zweipoligen Dauermagneten (1) angeordnet und mit einer Schaltungsein­ richtung (21, 22) verbunden ist, wobei durch Annäherung eines Auslösekörpers (4) an den Dauermagneten (1) die ma­ gnetische Induktion am Magnetfeld-Sensor (2) veränderbar und zu einer Änderung des Schaltungszustandes der Schal­ tungseinrichtung auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeld-Sensor (2) seitlich nahe dem, insbesondere an dem Dauermagneten (1) parallel zur Tangente der Flußlinien des Dauermagneten positioniert ist und daß durch Annähe­ rung eines ferromagnetischen Auslösekörpers (4) bezie­ hungsweise durch Entfernung des Auslösekörpers (4) von dem Dauermagneten (1) jeweils eine zur Umschaltung der Schalteinrichtung (21, 22) auswertbare Änderung der magnetischen Induktion (B) an dem Magnetfeld-Sensor (2) erzeugt wird.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Annäherung beziehungsweise Entfernung an einen der Pole (N) erfolgt.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Annäherung beziehungsweise Entfernung an eine zur Axial­ richtung parallele Seite des Dauermagneten (1) erfolgt.

5. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeld-Sensor (2) mit der Schalteinrichtung (21, 22) zu einem integrierten Schaltkreis (3) vereinigt ist.

6. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (1) und der Magnetfeld-Sensor (2) in einem Gehäuse (9) relativ zueinander verschiebbar angeordnet und in justiertem Zustand fixierbar sind.

7. Näherungsschaltung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Magnetfeld-Sensor (13) den erstgenannten (3) dia­ metral gegenüberliegend seitlich an dem Dauermagneten (1) angeordnet ist und daß in einer Auswerteschaltung aus der Zeitfolge der Signale von beiden Magnetfeld-Sensoren (3, 13) ein Richtungssignal für die Bewegung des Auslösekör­ pers (4) ableitbar ist.

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

9. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfeldsensor ein Magnetoresistor verwendet ist.