DE4333395C2

DE4333395C2 - Hall-Näherungsschalter mit drei Schaltstellungen

Info

Publication number: DE4333395C2
Application number: DE19934333395
Authority: DE
Inventors: Luc Jansseune
Original assignee: Tyco Electronics Logistics AG
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 2002-03-21
Anticipated expiration: 2013-10-01
Also published as: DE4333395A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hall-Näherungsschalter mit drei Schaltstellungen.

Konventionelle mechanische Schalter werden, insbesondere bei Kfz.-Anwendungen, immer mehr durch berührungslose Näherungs schalter mit einem Hall-Sensor abgelöst. Diese bestehen im Prinzip aus einer mit Konstantstrom versorgten Halbleiter schicht, insbesondere aus Silizium. Durch eine Magnetfeldkom ponente senkrecht zur Schicht wird der Konstantstrom beein flußt und der Sensor liefert eine auswertbare Hall-Spannung, die proportional zur anliegenden Magnetfeldstärke ist. Hall- Sensoren werden gegenwärtig zweckmäßigerweise in Form eines integrierten Schaltkreises verwendet, der bereits eine zur Auswertung des Schaltungszustandes geeignete Auswerteschal tung enthält.

Eine besondere Schalter-Situation ist beispielsweise bei Kfz.-Zentralverriegelungen gegeben, da dort die Position des Rotors des Schlosses überwacht werden muß. Bisher ist es üb lich, an diesem Rotor Nocken zu befestigen, durch die bei ei ner Drehbewegung zwei bis drei mechanische Mikroschalter be tätigt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gegenüber den mechanischen Mikroschaltern in seinen Eigenschaften ver besserten und in seinen Funktionen erweiterbaren Hall-Sensor- Näherungsschalter zu schaffen, der zudem der geschilderten speziellen Schalter-Situation besonders angepaßt und deshalb auch im Vergleich zu bisher bekannten Hall-Näherungsschaltern weniger aufwendig ist.

Aus der DE 42 09 212 A1 ist ein Hall-Näherungsschalter zur Erfassung von Ortsin formation bekannt, bei dem einem eine bestimmte Teilung aufweisenden Zahnrad ein Paar von Hallsensoren, die bezüglich des Zahnrads gleichen Abstand aufwei sen, gegenübersteht. In Umfangsrichtung ist der Abstand der beiden Hallsensoren derart auf die Teilung des Zahnrads abgestimmt, daß der Sensorabstand einem ungradzahligen Vielfachen < 1 einer halben Teilung entspricht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Hall-Nähe rungsschalter mit drei Schaltstellungen,

a) mit einem Hall-Sensor und zwei Dauermagneten, die annä hernd in einer Ebene angeordnet sind, und mit einem in einer dazu parallelen Ebene bewegbaren ferromagnetischen Betätigungskörper und
b) mit einer dualen Auswerteschaltung, die in Reaktion auf positive oder negative Magnetflüsse am unipolaren Hall- Sensor ihren Schaltzustand bezüglich eines ersten bzw. zweiten Ausgangs ändert,
c) wobei das Auftreten und die beiden Richtungen des Magnet flusses über drei Positionen des Betätigungskörpers schaltbar sind,

gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche. Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 schematisch in Seitenansicht die drei möglichen Schaltstellungen eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters,

Fig. 4 in Draufsicht eine Ausführungsform eines im Näherungs schalter verwendbaren Betätigungskörpers

Fig. 5 ein Funktionsschaltbild eines integrierten Schalt kreises mit Hall-Sensor und dualer Auswerteschaltung.

Die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters wird anhand der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausfüh rungsform mit E-förmigen ferromagnetischem Joch erläutert. Dieses besteht, wie dargestellt, aus einer Basis, zwei Außen schenkeln, auf denen zwei Dauermagnete mit ihren Achsen par allel zueinander angeordnet und mit jeweils einem ungleichna migen Pol über das Joch verbunden sind, und einem Innenschenkel, auf dem ein Hall-Sensor angeordnet ist, wobei seine ak tive Fläche senkrecht zu den Achsen der Dauermagnete steht. Über den beiden Dauermagneten und dem mittig angeordneten Hall-IC ist ein Betätigungskörper derart bewegbar, daß er entweder, in einer Ruheposition, einen über das Joch und die beiden Dauermagneten, oder, in einer ersten oder zweiten Schaltposition, einen jeweils über den Hall-Sensor, das Joch und einen der beiden Dauermagnete gebildeten Magnetkreis schließt.

Im Einzelnen zeigt Fig. 1 den Schalter in Ruheposition. Der Magnetfluß fließt durch das Joch, durch beide Dauermagnete und durch den Betätigungskörper. Durch den Hall-IC fließt kein Magnetfluß. Fig. 2 und 3 zeigen die beiden betätigten Schaltstellungen, die beispielsweise einem nach links bzw. rechts gedrehtem Schloßrotor entsprechen. Der Magnetkreis von einem der beiden Dauermagnete wurde unterbrochen. Der Magnet kreis des anderen Magneten wurde über den Hall-IC, in der Mitte des Jochs, geschlossen. Es fließt ein Magnetfluß durch den Hall-IC. Die Richtung des Magnetflusses ist bei der ge wählten Anordnung von der Position des Betätigungskörpers (links oder rechts) abhängig. Durch das auf positive und nega tive Magnetflüsse (B) getrennt über einen ersten und zweiten Ausgang reagierende duale Hall-IC ergeben sich folgende Kon stellationen bzw. Schaltstellungen:

Fig. 1 Bei B = 0 sind beide Ausgänge der Auswerteschaltung gesperrt.

Fig. 2 Bei B = positiv ist Ausgang 1 leitend und Ausgang 2 gesperrt (z. B. Türe schließen)

Fig. 3 Bei B = negativ ist Ausgang 1 gesperrt und Ausgang 2 leitend (z. B. Türe offen)

In Fig. 4 ist in Draufsicht ein als Kreissegment ausgebilde ter Betätigungskörper dargestellt, der wie angedeutet entlang eines Kreisbogens nach links oder rechts schwenkbar ist, wo bei die Drehachse parallel zu den Achsen der Dauermagnete verläuft. Ein Kreissegment von etwa 60° kann in der Ruheposi tion ohne weiteres beide Dauermagnete, analog der in Fig. 1 dargestellten Situation, überdecken, während eine geringe, beispielsweise durch die Drehung eines Schlüssels bei der Zentralverriegelung eines Kfz erfolgende seitliche Ausschwen kung bereits ausreicht, um eine der in den Fig. 2 und 3 dar gestellten Schaltstellungen zu erreichen.

In Fig. 5 ist das vereinfachte Blockschaltbild eines dualen Hall-IC dargestellt. Der Hall-IC liefert ein schaltendes, (digitales) Ausgangssignal, wobei er als unipolar schaltender Sensor ausgebildet ist: Bei Rückgang des Magnetflusses durch Fortbewegung des Betätigungskörpers schaltet der IC in den nicht leitenden Zustand zurück. Der IC besitzt, wie üblich, einen Versorgungsanschluß 1 und einen Masseanschluß 4. Bei einem dualen Hall-IC wird das vom eigentlichen Hall-Sensor, der in Fig. 5 mit "X" bezeichnet ist, gelieferte Primärsignal verstärkt und an zwei parallel geschaltete Schwellenwert schaltungen, denen jeweils ein Halbleiterschalter nachge schaltet ist, abgegeben. Die Schwellenwertschaltungen sind vorteilhaft in an sich bekannter Weise als Schmitt-Trigger mit Hysterese-Charakteristik ausgebildet.

Im einzelnen wird die Versorgungsspannung durch durch eine in der Figur mit "REG" bezeichnete Schaltungseinheit zu einer stabilisierten Referenzspannung umgeformt, deren halbierter Wert, etwa 2 V, an jeder Hälfte der Sensorschicht anliegt. Der nachgeschaltete Differenzverstärker registriert eine durch einen positiven oder negativen Magnetfluß erhöhte bzw. erniedrigte Spannung. Erreicht die magnetische Induktion am Hall-Sensor einen positiven oder negativen Schwellenwert, dessen korrespondierende Spannung einer der jeweils nur auf eine bestimmte Spannung reagierenden Schwellenwertschaltungen entspricht, so werden die zugehörigen Halbleiterschalter durchgeschaltet oder gesperrt. Der beschriebene duale Hall- Schaltkreis ist handelsüblich, beispielsweise unter der Bezeichnung UGN 3235 von SSG, er wurde bisher jedoch nur im Zu sammenhang mit umpolbaren Gleichstrommotoren verwendet.

Zur Reduzierung des Verkabelungsaufwandes einer Anzahl in ei nem System eingebauter Näherungsschalter werden diese, insbe sondere bei Kfz.-Anwendungen, zunehmend in busfähiger Ausfüh rung, d. h. mit einer meist in Form eines zusätzlichen Chips im Näherungsschalter integrierten Logikschaltung, hergestellt und im System über eine gemeinsame BUS-Leitung mit der BUS- Steuereinheit (Prozessor) verbunden. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein zentrales Takten der erfindungsgemäßen Nähe rungsschalter erfolgen, da im Automobilbereich schon ein kon tinuierlich fließender minimaler Ruhestrom eine zu hohe Bela stung der Batterie bedingen könnte. Ein derartiges Takten, bei dem beispielsweise die Versorgungsspannung am Hall-IC nur jeweils für etwa 40 us anliegt, dann jedoch für etwa 5 ms ausgeschaltet wird, kann jedoch, beispielsweise bei "schlafendem" Mikroprozessor, auch intern im Schalter vorge nommen werden.

Der erfindungsgemäße Näherungsschalter, einschließlich dem ferromagnetischen Joch und den zwei Dauermagneten, kann ohne weiteres fest in ein Gehäuse eingekapselt werden, wobei die ses z. B. über nach außen geführte Anschlußdrähte oder über Kontaktstifte kontaktiert sein kann. Die Außenabmessungen ei nes derartig aufgebauten und verkapselten, annähernd recht eckförmigen Näherungsschalters können beispielsweise 34 × 20 × 5 mm betragen.

Die Vorteile gegenüber der bekannten Verwendung von insgesamt drei mechanischen Mikroschaltern bestehen nicht nur in der Vermeidung von mechanischem Verschleiß, der guten Abdichtung, der Vermeidung von Kontaktproblemen, beispielsweise durch Verschmutzung, der verbesserten Zuverlässigkeit und Schockbe ständigkeit und nicht zuletzt dem geringeren Platzbedarf, sondern auch in der sich ergebenden Möglichkeit, BUS-Schnitt stellen ohne weiteres integrieren zu können. Der erfindungsgemäße Hall-Schalter ist jedoch auch gegenüber bisher bekann ten Hall-Näherungsschaltern vorteilhaft, da er die Funktionen von drei Schaltern in einem vereinigt. Da weniger Magnetvolu men, jeweils nur ein Gehäuse, eine Leiterplatte und nur 1 Hall-IC benötigt werden, ergibt sich ein erheblicher Kosten vorteil gegenüber bisherigen Lösungen. Darüberhinaus ist der erfindungsgemäße Schalter aufgrund seines geschlossenen Ma gnetkreises gegenüber magnetischen Störungen unempfindlich.

Claims

1. Hall-Näherungsschalter mit drei Schaftstellen,

a) mit einem Hall-Sensor und zwei Dauermagneten, die annähernd in einer Ebe ne angeordnet sind, und mit einem in einer dazu parallelen Ebene bewegba ren ferrogmagnetischen Betätigungskörper und
b) mit einer dualen Auswerteschaltung, die in Reaktion auf positive oder negative Magnetflüsse am unipolaren Hall-Sensor ihren Schaltzustand bezüglich eines ersten bzw. zweiten Ausgangs ändert,
c) wobei das Auftreten eines verschwindenden, eines positiven, oder eines nega tiven Magnetflusses über drei Positionen des Betätigungskörpers schaltbar ist.

2. Hall-Näherungsschalter nach Anspruch 1,

a) mit einem insbesondere E-förmigen ferromagnetischen Joch, bestehend aus einer Basis, zwei Außenschenkeln, auf denen zwei Dauermagnete mit ihren Achsen parallel zueinander angeordnet und mit jeweils einem ungleichnami gen Pol über das Joch verbunden sind, und einem Innenschenkel, auf dem der Hall-Sensor angeordnet ist, und
b) mit einem bewegbaren Betätigungskörper, der einen
- 1. in einer Ruheposition über das Joch und die beiden Dauermagneten und
- 2. in einer ersten oder zweiten Schaltposition jeweils über den Hall-Sensor, das Joch und einen der beiden Dauermagnete gebildeten Magnetkreis schließt.

3. Hall-Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungskörper durch ein entlang eines Kreisbogens schwenkbares Kreissegment gebildet ist, wobei die Drehachse paral lel zu den Achsen der Dauermagnete ist.

4. Hall-Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile des Schalters in einem Gehäuse befestigt sind, aus dem die Anschlüsse Anschlußele mente bildend herausgeführt sind.

5. Hall-Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter durch eine insbeson dere in Form eines zusätzlichen Chips im Schalter integrierte Logikschaltung busfähig ist.