DE602005003818T2

DE602005003818T2 - Magnet-schalter-anordnung

Info

Publication number: DE602005003818T2
Application number: DE602005003818T
Authority: DE
Inventors: Pierre Van Glabeke
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2025-05-20
Also published as: ATE381107T1; SE0401311D0; WO2005112062A1; US20070090905A1; SE527101C2; EP1756847A1; SE0401311L; BRPI0511116A; US7508288B2; BRPI0511106A; WO2005112063A1; US20070109084A1; ATE378688T1; DE602005003818D1; DE602005003360D1; EP1751781A1; EP1751781B1; DE602005003360T2; JP2007538367A; JP2007538366A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetschalteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese Magnetschalteranordnung ergibt verbesserte magnetisch betätigte Schalter.
STAND DER TECHNIK
Bei modernen Fahrzeugen gibt es viele Funktionen, die elektronisch gesteuert werden. Einige dieser Funktionen sind vom Ein/Aus-Typ, einige können auf mehrere Positionen geschaltet werden und einige sind analog. Direkt gekoppelte Schalter und Sensoren steuern die meisten Funktionen, jedoch erfordern einige Funktionen einen kontaktlosen Betrieb. Ein Beispiel für Funktionen, bei denen ein kontaktloser Betrieb bevorzugt wird, sind beispielsweise ABS-Sensoren (ABS = Automatic Brake System – Automatisches Bremssystem), die Chassishöhenerfassung oder Schalter, die dem Wetter, Verunreinigungen und einer direkten Reibung ausgesetzt sind. Eine Art der kontaktlosen Schalter und Sensoren basiert auf einem magnetischen Prinzip. Es gibt verschiedene Arten von magnetischen Detektoren, beispielsweise Reed-Kontakte, Hall-Sensoren und andere Arten von integrierten magnetischen Detektoren. Es wird ein Magnetfeld zur Beeinflussung des Detektors verwendet. Der Detektor und der Magnet bilden somit den Schalter oder den Sensor.
Um einen Schalter oder einen Sensor mit einer hohen Auflösung zu erhalten, der gleichzeitig gegen äußere Magnetfelder unempfindlich ist, ist es erwünscht, den Magneten und den Detektor nahe beieinander zu positionieren. Auf diese Weise ist es möglich, einen Detektor mit einer geringen Empfindlichkeit zu verwenden und einen Schalter oder einen Sensor zu erhalten, der gegen äußere Magnetfelder unempfindlich ist.
Ein Problem bei Magnetschaltern und -sensoren besteht darin, dass die Empfindlichkeit des Detektors bei einem zunehmenden Erfassungsabstand gesteigert werden muss. Bei einigen Anwendungen, insbesondere bei Magnetschaltern, ist es möglich, den vergrößerten Abstand mit einem größeren oder stärkeren Magneten zu überwinden, der ein stärkeres Magnetfeld hat.
Ein Problem bei dem Detektor, der sehr empfindlich ist, besteht darin, dass er leichter durch ein äußeres interferierendes Magnetfeld gestört wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Sensor sich in der Nähe eines Starkstromkabels oder eines großen Transformators befindet. Deshalb bevorzugt man, die Empfindlichkeit des Detektors nicht zu sehr zu steigern.
Ein Problem, das entsteht, wenn das Magnetfeld durch die Verwendung eines größeren Magneten erhöht wird, besteht darin, dass das Magnetfeld nicht nur stärker, sondern auch im Raum weiter verteilt ist. Dies führt zu dem Effekt, dass, wenn ein analoger Detektor verwendet wird, die Auflösung aufgrund des ungenauen Magnetfelds verschlechtert wird.
Aufgrund der Art und des Herstellungsprozesses von Permanentmagneten können die magnetischen Eigenschaften für Magnete beträchtlich variieren, auch wenn sie in der gleichen Charge und zur gleichen Zeit hergestellt werden. Die Eigenschaften, die sich ändern, sind beispielsweise die magnetische Remanenz und die Richtung des Magnetfeldes. Diese sich ändernden Eigenschaften können wiederum dazu führen, dass sich Magnetschalter und -sensoren unterschiedlich verhalten, auch wenn die Spezifikationen gleich sind. Bei der Herstellung kann dies zu beträchtlichen Problemen bei Einstellungen und Ausschussteilen führen.
Das Dokument FR-A-1 404 208 offenbart eine Magnetschalteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel der Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesserte Magnetschalteranordnung bereitzustellen, die gegenüber Änderungen der Winkelempfindlichkeit des verwendeten Magnetschalterelements weniger empfindlich ist.
Die Lösung für dieses Problem nach der Erfindung ist in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben. Die anderen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Magnetschalteranordnung.
Bei einer Magnetschalteranordnung mit einem ersten Magnetsystem, mit einem zweiten Magnetsystem und mit einem Magnetschaltelement, wobei das erste Magnetsystem zum Vorspannen des Magnetschaltsystems angeordnet ist und das zweite Magnetsystem für ein Zusammenwirken mit dem vorspannenden Magnetfeld aus dem ersten Magnetsystem an dem Magnetschaltelement so angeordnet ist, dass es sich in einem vorgegebenen Zustand befindet, wird das Ziel der Erfindung dadurch erreicht, dass das das erste Magnetsystem auch einen Magnetfeldrichter aufweist, der zur Erzeugung eines Längsmagnetfelds in dem Richter angeordnet ist.
Durch diese erste Ausgestaltung der Magnetschalteranordnung nach der Erfindung erhält man einen verbesserten Differenzmagnetschalter. Dies hat den Vorteil, dass der Magnetfeldrichter ein einheitliches Magnetfeld für das Magnetschalterelement erzeugt. Dadurch wird die Winkelempfindlichkeit des Magnetschaltelements kompensiert.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Magnetschalteranordnung hat das zweite Magnetsystem zwei gleich polarisierte Permanentmagnete, die in einem vorgegebenen Abstand getrennt angeordnet sind. Dies hat den Vorteil einer Verbesserung der Toleranz gegenüber Abweichungen bei den magnetischen Eigenschaften der verwendeten Permanentmagneten.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Magnetschalteranordnung ist der Raum zwischen den Magneten und/oder sind die dem Raum gegenüberliegenden Seiten zwischen den Magneten mit einem ferromagnetischen Material versehen. Dies ermöglicht es, den Magnetschalter durch Steuern des Magnetfelds an die gewünschten Anforderungen anzupassen.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Magnete des zweiten Magnetsystems so angeordnet, dass jede Abweichung in der Magnetfeldrichtung bezüglich der Symmetrieachse für jeden Magneten bezüglich einer Mittellinie zwischen den Magneten symmetrisch ist. Dies kompensiert jede Abweichung in der Richtung des Magnetfelds eines jeden Magneten.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Magnetschalteranordnung nach der Erfindung erhält man die Magnete des zweiten Magnetsystems durch Teilen eines einzigen Magneten in zwei gleiche Teile längs einer Linie parallel zur Symmetrieachse, wobei ein Magnet um seine Symmetrieachse um 180° gedreht wird. Dies kompensiert jede Abweichung in der Richtung des Magnetfelds eines jeden Magneten und erzeugt ein Magnetsystem mit einem Magnetfeld, das symmetrisch ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Magnetschalteranordnung nach der Erfindung ist diese in ein Gehäuse integriert. Dies hat den Vorteil, dass ein integrierter Magnetschalter erhalten wird, der für die Funktion keinen externen Magneten erfordert.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Magnetschalteranordnung nach der Erfindung ist diese ein normalerweise offener Schalter. Dies hat den Vorteil, dass sie mit einem geeigneten elektrischen Logiksystem verbunden werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Magnetschalteranordnung nach der Erfindung ist sie ein normalerweise geschlossener Schalter. Dies hat den Vorteil, dass sie mit einen geeigneten Logiksystem verbunden werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Magnetschalteranordnung nach der Erfindung wird sie dadurch geschaltet, dass ein ferromagnetisches Material nahe zu ihr gebracht wird. Dies hat den Vorteil, dass die Magnetschalteranordnung für ein Erfassen verwendet werden kann, beispielsweise wenn eine Tür geschlossen ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Magnetschalteranordnung nach der Erfindung wird diese dadurch geschaltet, dass ein ferromagnetisches Material von ihr entfernt wird. Dies hat den Vorteil, dass sie zum Erfassen verwendet werden kann, beispielsweise wenn eine Tür geöffnet wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die Ausführungsformen näher beschrieben, die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt sind, in denen
1a einen bekannten Magneten,
1b einen geschnittenen Teil eines bekannten Magneten mit Magnetfeldlinien,
2a eine zur Erfindung gehörende Magnetanordnung,
2b einen geschnittenen Teil der Magnetanordnung von 2a mit Magnetfeldlinien,
3a bis 3c eine schematische Beziehung zwischen der Magnetflussdichte B für einen Magneten und der Entfernung D,
4a eine Ausführungsform der zur Erfindung gehörenden Magnetanordnung,
4b einen Schnitt der Ausführungsform von 4a mit Magnetfeldlinien,
5a eine Ausführungsform der zur Erfindung gehörenden Magnetanordnung,
5b einen Schnitt der Ausführungsform von 5a mit Magnetfeldlinien,
6a eine Ausführungsform der zur Erfindung gehörenden Magnetanordnung,
6b einen Schnitt der Ausführungsform von 6a mit Magnetfeldlinien, und
7 eine erste Ausführungsform der Magnetschalteranordnung nach der Erfindung zeigen.
VERFAHREN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Ausführungsformen der Erfindung mit im Folgenden beschriebenen Weiterentwicklungen sind nur als Beispiele anzusehen und sollen in keiner Weise den Schutzumfang begrenzen, der durch die Patentansprüche gegeben wird.
1a zeigt einen bekannten Permanentmagneten 1. 1b zeigt einen Schnitt des Magneten 1 längs einer Ebene 2 durch die Mitte des Magneten mit einigen schematischen Magnetlinien, die mit gestrichelten Linien gezeigt sind. Der gezeigte Magnet ist rechteckig und symmetrisch polarisiert mit einem Nordpol, der mit N bezeichnet ist, und einem Südpol, der mit S bezeichnet ist. Der Magnet kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein.
Wenn untenstehend eine Magnetanordnung als Schnittansicht gezeigt und beschrieben wird, ist es ein Schnitt durch die Mitte der Magnetanordnung, der ähnlich zu dem ist, der zur Veranschaulichung der Magnetanordnung mit Magnetlinien verwendet wird, die ebenfalls mit strichpunktierten Linien angezeigt sind. Es wird auch angenommen, dass das Magnetfeld längs seiner Symmetrieachse 7 symmetrisch ist, nämlich einer Mittellinie, die von N nach S in der Mitte des Magneten verläuft.
In 2a ist eine Magnetanordnung 3 mit zwei Permanentmagneten 4, 5 gezeigt. Vorzugsweise haben die Magnete annähernd die gleichen magnetischen Eigenschaften. Es ist vorteilhaft, wenn die Magnete aus dem gleichen Material hergestellt sind und den gleichen geometrischen Umriss haben, jedoch sind auch einige Abweichungen akzeptabel. Wie der Fachmann weiß, haben die Ausdrücke "gleich" oder "die gleichen" für die magnetischen Eigenschaften von Permanentmagneten die Bedeutung "so nahe wie möglich" oder "in etwa die gleichen" aufgrund der Art und des Herstellungsprozesses von Permanentmagneten.
Die Magnete 4, 5 sind gleich polarisiert und nahe beieinander symmetrisch zu ihren Symmetrieachsen 7, parallel und mit der Polarisation in der gleichen Richtung angeordnet, wie in 2a zu sehen ist. Die Entfernung zwischen den Magneten ist mit D bezeichnet. In dieser Anordnung stoßen die Magnete einander ab, und insbesondere stößt der Nordpol des Magneten 4 den Nordpol des Magneten 5 ab, während der Südpol des Magneten 4 den Südpol des Magneten 5 abstößt. Da die Magnete bezüglich einander festgelegt sind, kann die Magnetkraft zwischen den Magneten die Magnete nicht bewegen. Stattdessen verformt sich das Magnetfeld aus den Magneten symmetrisch bezüglich einer Ebene zwischen den Magneten, die als Mittellinie 6 in 2b gezeigt ist.
Bei diesem Beispiel werden rechteckige Magnete verwendet. Die Größe der Magnete hängt beispielsweise von der gewünschten Magnetfeldstärke ab. Abhängig von dem gewünschten Magnetfeld sind auch andere geometrische Formen möglich. Beispielsweise können Stäbe, bei denen eine Seite viel länger als die anderen Seiten ist, oder kreisförmige Ringmagnete verwendet werden. Wesentlich ist, dass die Magnete so angeordnet sind, dass sie einander abstoßen, also vorzugsweise dass der Nordpol und der Südpol nahe nebeneinander angeordnet sind. Die am nächsten beieinander liegenden Seiten sind vorzugsweise eben.
In 2b sind die Magnetfeldlinien etwas verformt. Wenn die Entfernung D zwischen den Magneten verringert wird, stoßen die Magneten einander ab, und das äußere Magnetfeld an dem Nord- und Südpol wird stärker, d. h. die Magnetflussdichte nimmt zu. Eine schematische Beziehung zwischen der Magnetflussdichte B für einen Magneten und der Entfernung D ist in 3a bis 3c gezeigt. 3a zeigt die Magnetflussdichte B für zwei Magnete in einer Entfernung, in der sich die Magnete nicht beeinflussen.
In einer bestimmten Entfernung überlagert sich die Magnetflussdichte B, so dass das Magnetfeld zwischen den Symmetrieachsen 7 der Magneten annähernd gleich wird. Bei dieser Entfernung ist das Magnetfeld mit gleicher Dichte so breit wie möglich. Diese Entfernung wird als die kritische Entfernung d bezeichnet. Wenn die Entfernung D weiter verringert wird, überlagert sich die Magnetflussdichte B weiter, und wenn sich die Magnete berühren, ist das Magnetfeld gleich dem eines Einzelmagneten mit der Größe der beiden kombinierten Magnete.
3b zeigt die Magnetflussdichte B für zwei Magnete in der kritischen Entfernung d, in der das Magnetfeld etwa gleich und so breit wie möglich ist. Das sich aus 3b ergebende Magnetfeld kann in 3c gesehen werden.
Die kritische Entfernung d hängt von verschiedenen magnetischen Eigenschaften der Magnete ab. Die kritische Entfernung d ist verglichen mit den Magneten klein. Beispielsweise beträgt die kritische Entfernung d für zwei Keramikmagnete mit einer Größe von 12 × 6 × 4 mm etwa 0,9 mm. Der leichteste Weg, die kritische Entfernung d zu erhalten, ist der über empirische Messungen.
Das Aussehen der Magnetflussdichte längs der Linie 6, d. h. wie zugespitzt die Magnetflussdichte ist, kann dadurch etwas geändert werden, dass die Entfernung D eingestellt wird. Bei der kritischen Entfernung d ist die Magnetflussdichte so flach und breit wie möglich. In manchen Fällen möchte man vielleicht eine Magnetflussdichte haben, die etwas breiter und nicht so flach ist. Wenn beispielsweise die Magnetanordnung für einen Magnetschalter verwendet werden soll, kann der Schalter eine größere Toleranz bei einer Magnetflussdichte erhalten, die etwas geändert ist. In diesem Fall wird die Entfernung zwischen den Magneten etwas vergrößert.
Dieses genau definierte Magnetfeld kann bei einer Anzahl von Anwendungen eingesetzt werden, von denen nachstehend einige wenige beschrieben werden. Vorzugsweise wird die Magnetanordnung für verschiedene kontaktlose Detektoren verwendet.
Eine Art, die vorstehend gezeigte Magnetanordnung 3 zu verbessern, besteht darin, Polstücke zu verwenden. 4a zeigt eine Magnetanordnung 12 mit zwei Magneten 4, 5 und zwei Polstücken 9, 10. Vorzugsweise haben die Magnete in etwa die gleichen magnetischen Eigenschaften. Es ist vorteilhaft, wenn die Magnete aus dem gleichen Material hergestellt sind und den gleichen geometrischen Umriss haben, jedoch sind einige Abweichungen akzeptabel. Der sich ergebende Effekt ist eine Normalisierung des Magnetfelds.
Ein Polstück ist aus einem ferromagnetischen Material hergestellt und wird auf einer Seite eines Magneten angeordnet. Ein Polstück sammelt und führt das Magnetfeld durch das Polstück anstatt durch die Luft. Dies ändert die Magnetflussdichte dahingehend, dass das Magnetfeld in dem Polstück konzentriert wird. Dadurch ergibt sich eine hohe Magnetflussdichte, die in dem Polstück eingebettet ist. Die Größe eines Polstücks entspricht dem Magneten, an dem es angeordnet ist, und die Dicke des Polstücks ist so gestaltet, dass in dem Polstück keine Sättigung auftritt.
Die Polstücke 9, 10 sind an den Außenseiten der Magnete angeordnet, d. h. das Polstück 9 steht in engem Kontakt mit der rechten Seite des Magneten 4, während das Polstück 10 in engem Kontakt mit der linken Seite des Magneten 5 in Verbindung steht, wie in 4a zu sehen ist. Die Dicke der Polstücke wird so gewählt, dass in dem Polstück keine Sättigung auftritt.
In 4b ist eine schematische Ansicht der sich ergebenden Anordnung 12 gezeigt. Im Vergleich mit der Anordnung 3 von 3b ist die Magnetflussdichte um die Außenseiten der Anordnung herum näher zu der Anordnung konzentriert. In Kombination mit dem raum verteilten Magnetfeld, das zwischen den Magneten erhalten wird, unterstützt diese Konzentration der Magnetflussdichte an den Außenseiten der Magnete auch, die Störeinflüsse von dem Magnetfeld der Magnete zu reduzieren. Da das Magnetfeld von den beiden äußeren Seiten der Magnete in den Polstücken eingebettet und auch symmetrisch ist, ist das sich ergebende Magnetfeld in der Geometrie sehr stabil.
Eine weitere magnetische Anordnung 13 ist in 5a gezeigt, die zwei Magnete 4, 5 und ein Polstück 11 aufweist. Vorzugsweise haben die Magnete annähernd die gleichen magnetischen Eigenschaften. Es ist vorteilhaft, wenn die Magnete aus dem gleichen Material hergestellt sind und den gleichen geometrischen Umriss haben, es sind jedoch einige Abweichungen akzeptabel.
Das Polstück 11 ist dazwischen laminiert, d. h. in Kontakt mit den beiden Magneten 4, 5. Die Dicke der Polstücke wird so gewählt, dass im Polstück keine Sättigung auftritt.
Das Polstück 11 sammelt und führt das Magnetfeld durch das Polstück anstatt durch die Luft. Dies ändert das Magnetfeld um die Mittellinie 6 dahingehend, dass das Magnetfeld stärker konzentriert wird. Dadurch erhält man eine hohe Magnetflussdichte, die in das Polstück eingebettet ist. Diese Art der magnetischen Anordnung kann beispielsweise in Kombination mit einem linearen Verschiebungssensor verwendet werden, der eine Spule aufweist, bei der ein weichmagnetischer Kern zu sättigen ist. Der Sättigungsbereich des Kerns beeinflusst die Spule so, dass die Position des gesättigten Bereichs und somit beispielsweise der Kolben in einem Hydraulikzylinder, erfasst werden kann.
Eine weitere Anordnung 14 ist in 6a gezeigt, die zwei Magnete 4, 5 und drei Polstücke 9, 10 und 11 aufweist. Vorzugsweise haben die Magnete annähernd die gleichen magnetischen Eigenschaften. Es ist vorteilhaft, wenn die Magnete aus dem gleichen Material hergestellt sind und den gleichen geometrischen Umriss haben, jedoch sind bestimmte Abweichungen akzeptabel.
Die Polstücke 9 und 10 sind an den Außenseiten der Magnete angeordnet, d. h. das Polstück 9 ist in engem Kontakt mit der rechten Seite des Magneten 4 und das Polstück 10 in engem Kontakt mit der linken Seite des Magneten 5 angeordnet. Die Dicke der Polstücke 9, 10 wird so gewählt, dass in den Polstücken keine Sättigung eintritt. Die Polstücke 11 sind dazwischen laminiert, d. h. sie stehen in Kontakt mit den Magneten 4, 5. Die Dicke des Polstücks 11 ist so gewählt, dass in dem Polstück keine Sättigung auftritt. Bei dieser Ausführungsform erhält man eine dispergierte hohe Magnetflussdichte, die gleichförmiger verteilt ist.
Vorstehend sind verschiedene Verfahren beschrieben, die eine Magnetanordnung verwenden, um ein genau definiertes Magnetfeld zu erhalten. Diese Magnetanordnungen werden vorzugsweise in Magnetschaltern verwendet.
Bei den vorstehenden Magnetanordnungen wird angenommen, dass das Magnetfeld eines Magneten längs seiner Symmetrieachse 7, also einer Mittellinie, die von N nach S in der Mitte des Magneten verläuft, symmetrisch ist. Dies ist jedoch für Permanentmagneten mit normaler Herstellung kaum der Fall. Stattdessen weicht die Richtung des Magnetfelds mit einem Winkel bezüglich der Symmetrieachse 7 ab. Diese Abweichung ist im Normalfall vergleichsweise klein und liegt im Bereich von bis zu 10 Grad, kann jedoch so groß wie 30 Grad werden. Diese Abweichung beeinflusst ihrerseits die Funktion eines Magnetschalters oder eines Magnetsensors, bei dem ein solcher Magnet verwendet wird. Die beschriebenen Magnetanordnungen können diese Abweichung teilweise ausgleichen.
Zur weiteren Verbesserung einer solchen Magnetanordnung kann die Abweichung der Magnetfeldrichtung weiter kompensiert werden. Dies erfolgt dadurch, dass die Magnete so angeordnet werden, dass die Abweichung von einem Magnet die Abweichung des anderen Magneten kompensiert. Bei einem Beispiel haben die Magnete eine Abweichung von 20 Grad bezüglich der Symmetrieachse. Durch Anordnen der Magnete derart, dass das Magnetfeld von einem Magnet um 20 Grad in einer Richtung abweicht, beispielsweise von der Mittellinie in 2b weg, während das Magnetfeld des anderen Magneten um 20 Grad in der anderen Richtung abweicht, also hier von der Mittellinie in 2b weg, ist das sich ergebende Magnetfeld bezüglich der Mittellinie 6 symmetrisch, d. h. bezüglich der Mitte der magnetischen Anordnung. Ein Positionieren der Magnete derart, dass die Abweichung der Magnete in die Richtung zu der Mittellinie hin geht, erzeugt ebenfalls ein symmetrisches Magnetfeld. Die kritische Entfernung d kann abhängig von der Magnetfeldabweichung der Magnete leicht variieren.
Da es schwierig ist, die Abweichung des Magnetfelds für einen Einzelmagneten zu erfassen, insbesondere in einem Herstellungswerk, besteht ein Weg zum Erhalten eines symmetrischen Magnetfelds darin, mit einem Magneten zu beginnen, der die Größe der beiden gewünschten Magnete hat. Durch Zerteilen des Magneten längs der Mitte in einer Nord-Süd-Richtung und durch Umdrehen eines der sich ergebenden Magnete um 180 Grad um die Symmetrieachse ist das sich ergebende Magnetfeld aus der resultierenden Magnetanordnung immer symmetrisch, unabhängig von der Abweichung des Magnetfelds in dem einzigen Ausgangsmagneten.
Bei Verwendung des gleichen Verfahrens ist es auch möglich, eine Magnetanordnung zu erzeugen, die einem Einzelmagneten ähnlich ist, bei der jedoch die Richtung des Magnetfelds parallel zur Symmetrieachse ist. Dies wird wie vorstehend beschrieben ausgeführt, wobei der Unterschied darin besteht, dass die Magnete nach dem Zerteilen zusammen positioniert werden, d. h. die kritische Entfernung nahe bei oder gleich null ist. Unabhängig von der Abweichung des Magnetfelds bei dem Ausgangsmagneten ist das sich ergebende Magnetfeld immer symmetrisch.
Bei einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetschalters 17, der in 7 gezeigt ist, hat der Schalter ein zweites Magnetsystem 25, das aus zwei Magneten 4, 5 besteht, ein erstes Magnetsystem 24, das aus einem vorspannenden Magneten 20 und einem Magnetfeldrichter 19 besteht, und ein magnetisch sensitives Schaltelement 18. Das Schaltelement ist beispielsweise ein Reed-Kontakt oder ein auf einer integrierten Schaltung basierendes Schaltelement. Das Schaltelement ist mit einer elektrischen Schaltung (nicht gezeigt) verbunden, die den Zustand des Schaltelements erfasst. Der vorspannende Magnet 20 ist nahe an dem Schaltelement 18 angeordnet und spannt das Schaltelement vor. Dieses vorspannende Magnetfeld ist stark genug, den Zustand des Schaltelements zu ändern. Aufgrund des engen Abstandes zu dem Schaltelement kann der vorspannende Magnet 20 relativ klein sein. Vorzugsweise hat der vorspannende Magnet 20 eine geringere magnetische Stärke als die Magnete 4, 5.
Der Magnetfeldrichter 19 ist eine Einrichtung, die dazu verwendet wird, alle Feldlinien gleichförmig so zusammenzubringen, dass das Magnetfeld aus einem Permanentmagneten, der außerhalb des Richters angeordnet ist, in ein Längsfeld in dem Richter umgewandelt wird. Das Magnetfeld innerhalb des Richters zeigt eine identische Felddirektionalität unabhängig von der Richtung des Magnetfelds aus dem verwendeten vorspannenden Magneten an und ermöglicht so eine identische Reproduzierbarkeit des Magnetfelds innerhalb des Richters. Ein innerhalb des Richters angeordnetes Magnetschaltelement wird deshalb immer dem gleichen Magnetfeld ausgesetzt sein, unabhängig von der Winkelreaktion des Detektorelements. Dies schließt die Notwendigkeit aus, dass ein asymmetrisch ansprechendes Magnetschaltelement in einer speziellen Drehstellung auf seiner Längsachse positioniert werden muss. Der Richter ist vorzugsweise aus einem weichen ferromagnetischen Material hergestellt. Der vorspannende Magnet 20 ist nahe an dem Richter oder in Kontakt mit ihm angeordnet. Dies erlaubt den Einsatz eines relativ kleinen vorspannenden Magneten und macht das Vorspannen des Magnetschaltelements weniger empfindlich gegenüber einer externen Störung.
Die beiden Permanentmagnete 4, 5 sind in einer solchen Entfernung von dem Magnetschaltelement 18 angeordnet, dass das Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 mit dem vorspannenden Magnetfeld an dem Magnetschaltelement zusammenwirkt. Der Schalter ist als eine Einheit ausgelegt, wobei die Magnete und das Magnetschaltelement in das gleiche Gehäuse integriert sind. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen wird ein normalerweise offener Reed-Kontakt als Magnetschaltelement verwendet. Es handelt sich um den üblichsten Typ eines Reed-Kontakts, der auch der billigste ist. Erforderlichenfalls können auch andere Arten, beispielsweise Umschalt- oder normalerweise geschlossene Reed-Kontakte, verwendet werden.
Bei der ersten Ausführungsform wird der Schalter durch Stören des Magnetfelds der Magnete 4, 5 mit einem ferromagnetischen Material 21 geschaltet. Bei dieser Ausführungsform sind die Magnete 4, 5 in einer Entfernung von dem Reed-Kontakt angeordnet, so dass das Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 das vorspannende Magnetfeld an dem Reed-Kontakt aufhebt. Dies belässt den Reed-Kontakt in seinem normalen offenen Zustand. Das sich ergebende Magnetfeld über dem Reed-Kontakt ist somit nahe bei null oder wenigstens unter dem Schwellenwert des Reed-Kontakts.
Wenn das ferromagnetische Material 21 in das Magnetfeld der Magnete 4, 5 eingeführt wird, d. h. wenn das ferromagnetische Material 21 sich dem Magnetschalter nähert, sammelt das Material 21 einen Teil des Magnetfelds, was bedeutet, dass das Magnetfeld von den Magneten 4, 5 an dem Reed-Kontakt geschwächt wird. Wenn sich das ferromagnetische Material in einer bestimmten Entfernung befindet, hat sich das Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 weit genug verringert, damit das vorspannende Feld den Reed-Kontakt schließt, d. h. den Schalter schaltet. Der Schalter ist beispielsweise für ein Anbringen an einem Lastkraftwagen geeignet, und das ferromagnetische Material kann beispielsweise eine Tür sein. In diesem Fall erfasst der Schalter, dass die Tür geschlossen ist. Diese Ausführungsform sorgt für einen normalerweise offenen Schalter, der geschlossen wird, beispielsweise dadurch, dass die Tür in die Nähe des Schalters gebracht wird.
Bei der zweiten Ausführungsform wird der Schalter ebenfalls durch Stören des Magnetfelds der Magnete 4, 5 mit einem ferromagnetischen Material 21 geschaltet. Bei dieser Ausführungsform sind die Magnete 4, 5 etwas näher an dem Reed-Kontakt angeordnet, so dass das Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 das vorspannende Magnetfeld weit genug überwindet, um den Reed-Kontakt zu schließen. Das sich ergebende Magnetfeld über dem Reed-Kontakt liegt somit wenigstens über dem Schwellenwert des Reed-Kontakts.
Wenn das ferromagnetische Material 21 in das Magnetfeld der Magnete 4, 5 eingeführt wird, d. h. wenn sich das ferromagnetische Material 21 dem Magnetschalter nähert, sammelt das Material 21 einen Teil des Magnetfelds, was bedeutet, dass das Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 an dem Reed-Kontakt abnimmt. Wenn sich das ferromagnetische Material in einer bestimmten Entfernung befindet, hat sich das Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 so weit abgeschwächt, dass es durch das vorspannende Magnetfeld ausgeglichen wird. Das sich über dem Reed-Kontakt einstellende Magnetfeld liegt somit unter dem Schwellenwert des Reed-Kontakts, was den Reed-Kontakt öffnet, d. h. den Schalter schaltet. Der Schalter ist beispielsweise für ein Anbringen an einem Lastkraftwagen geeignet, und das ferromagnetische Material kann beispielsweise eine Tür sein. In diesem Fall erfasst der Schalter, dass die Tür ge schlossen ist. Diese Ausführungsform sorgt für einen normalerweise geschlossenen Schalter, der geöffnet wird, beispielsweise dadurch, dass die Tür in die Nähe des Schalters gebracht wird.
Bei einer dritten Ausführungsform wird der Schalter dadurch geschaltet, dass ein ferromagnetisches Material 21 von dem Schalter entfernt wird. Bei dieser Ausführungsform wird der Ausgleich zwischen dem vorspannenden Magnetfeld und dem Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 an dem Reed-Kontakt mit einem ferromagnetischen Material 21 nahe an dem Schalter eingerichtet. Bei dieser Ausführungsform sind die Magnete 4, 5 in einer solchen Entfernung von dem Reed-Kontakt angeordnet, dass das Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 zusammen mit dem ferromagnetischen Material 21 das vorspannende Magnetfeld an dem Reed-Kontakt auslöscht. Dies belässt den Reed-Kontakt in seinem normalen offenen Zustand. Das sich über dem Reed-Kontakt einstellende Magnetfeld liegt somit nahe bei null oder wenigstens unter dem Schwellenwert des Reed-Kontakts.
Wenn das ferromagnetische Material von dem Schalter entfernt wird, d. h. wenn das ferromagnetische Material 21 von dem Schalter wegbewegt wird, verschwindet der Ausgleich zwischen dem vorspannenden Magnetfeld und dem Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 an dem Reed-Kontakt. In diesem Fall verstärkt sich das Magnetfeld der Magnete 4, 5 weit genug, um den Reed-Kontakt zu schließen, d. h. um den Schalter zu schalten. Der Schalter ist beispielsweise zum Anbringen an einem Lastkraftwagen geeignet, und das ferromagnetische Material kann beispielsweise eine Tür sein. In diesem Fall erfasst der Schalter, dass die Tür geöffnet ist.
Bei einer vierten Ausführungsform wird der Schalter ebenfalls durch Entfernen eines ferromagnetischen Materials 21 aus dem Schalter geschaltet. Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Ausgleich zwischen dem vorspannenden Magnetfeld und dem Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 an dem Reed-Kontakt mit einem ferromagnetischen Material 21 in der Nähe des Schalters. Bei dieser Ausgestaltung sind die Magnete 4, 5 so angeordnet, dass das Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 zusammen mit dem ferromagnetischen Material schwächer als das vorspannende Magnetfeld ist, so dass der Reed-Kontakt durch das vorspannende Magnetfeld geschlossen wird. Das sich über dem Reed-Kontakt einstellende Magnetfeld ist somit schwächer als der Schwellenwert des Reed-Kontakts.
Wenn das ferromagnetische Material aus dem Schalter entfernt wird, d. h. wenn das ferromagnetische Material 21 von dem Schalter wegbewegt wird, wird ein Ausgleich zwischen dem vorspannenden Magnetfeld und dem Magnetfeld aus den Magneten 4, 5 an dem Reed-Kontakt erzeugt. In diesem Fall wird das Magnetfeld der Magnete 4, 5 stark genug, um den Reed-Kontakt zu öffnen, d. h. den Schalter zu schalten. Der Schalter ist beispielsweise für ein Anbringen an einem Lastkraftwagen geeignet, und das ferromagnetische Material kann beispielsweise eine Tür sein. In diesem Fall erfasst der Schalter, dass die Tür geöffnet ist.
Die vorstehend beschriebenen Schalter sind für ein kontaktloses Erfassen der Position von Metallteilen, beispielsweise an Fahrzeugen, geeignet. Da der Magnetschalter in einem einzigen Gehäuse eingeschlossen ist, ist er gegen Korrosion, Schmutz, usw. geschützt. Dadurch ist der Schalter besonders für das Erfassen von sicherheitskritischen Teilen geeignet. Beispielsweise kann erfasst werden, ob sich das Fahrerhaus in einer verriegelten Position befindet, ob die Lagertüren geschlossen sind oder ob sich ein Kipper in einer Ruhestellung befindet. Wenn das zu erfassende Teil nicht aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist, kann leicht ein ferromagnetisches Material an dem Teil entweder durch Aufbringen auf seine Oberfläche oder durch Integrieren in das Teil angebracht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ersetzt ein einziger Magnet die beiden Magnete 4, 5. Der einzige Magnet ist auf ähnliche Weise, wie vorstehend für die Magnetanordnung mit den Magneten 4, 5 beschrieben, angeordnet. Die Verwendung eines Einzelmagneten erfordert eine gute Kenntnis der Eigenschaften des verwendeten Magneten. Bei der Herstellung, bei der die magnetischen Eigenschaften der verwendeten Magnete nicht nur zwischen verschiedenen Chargen, sondern auch der gleichen Produktionscharge beträchtlich variieren, kann es schwierig sein, zu gewährleisten, dass das Magnetfeld von dem Einzelmagneten immer das vorstehende Magnetfeld ausgleicht. Deshalb ist es bei der Herstellung vorteilhaft, eine Magnetanordnung mit zwei Magneten zu verwenden, um eine gute Reproduzierbarkeit zu erhalten.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Magnetschaltelement ohne den Richter verwendet. Wenn das Winkelansprechvermögen des Magnetschaltelements bekannt ist und es möglich ist, das Magnetschaltelement in einer reproduzierbaren, vorgegebenen Position anzuordnen, wird der Schalter ohne den Richter, wie vorstehend beschrieben, arbeiten. Bei der Herstellung ist es vorteilhaft, einen Richter zu verwenden. Dies gewährleistet, dass das vorspannende Magnetfeld das Magnetschaltelement in einer vorgegebenen Weise beeinflusst.
Bei den vorstehenden Magnetschaltern kann abhängig von den Erfordernissen jede der Magnetanordnungen vorteilhaft sein, wie sie vorstehend beschrieben wurden.
Die Erfindung ist nicht als auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen begrenzt anzusehen, vielmehr ist eine Anzahl von zusätzlichen Varianten und Modifizierungen in dem Rahmen der nachstehenden Patentansprüche möglich. Die Magnetschaltanordnung kann immer dann verwendet werden, wenn eine kontaktlose Erfassung erforderlich ist.

Claims

Magnetschalteranordnung mit einem ersten Magnetsystem (24), mit einem zweiten Magnetsystem (25) und mit einem Magnetschaltelement (18), wobei das erste Magnetsystem (24) zum Vorspannen des Magnetschaltsystems (18) angeordnet ist und das zweite Magnetsystem (25) für ein Zusammenwirken mit dem vorspannenden Magnetfeld aus dem ersten Magnetsystems (24) an dem Magnetschaltelement angeordnet ist, so dass sich das Magnetschaltelement sich in einem vorgegebenen Zustand befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Magnetsystem (24) auch einen Magnetfeldrichter (19) aufweist, der zur Erzeugung eines Längsmagnetfelds in dem Richter angeordnet ist.
Magnetschalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Magnetsystem (25) einen einzigen Permanentmagneten (4; 5) aufweist.
Magnetschalteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Magnetsystem (25) zwei gleich polarisierte Permanentmagnete (4, 5) aufweist, die in einem vorgegebenen Abstand getrennt angeordnet sind.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Magnetsystem (24) einen einzigen Permanentmagneten (20) aufweist.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetschaltelement (18) ein Reed-Kontakt ist.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Magnetschaltelements (18) dadurch geändert wird, dass ein ferromagnetisches Material (21) in die Nähe der Schalteranordnung gebracht wird.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand des Magnetschaltelements (18) durch Entfernen eines ferromagnetischen Materials (21) aus der Schalteranordnung geändert wird.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Abstand der kritische Abstand d ist.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Abstand nahe bei Null liegt oder Null ist.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den Magneten (4, 5) mit einem nicht-magnetischen Material gefüllt ist.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den Magneten (4, 5) mit einem ferromagnetischen Material gefüllt ist.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (4, 5) mit einem ferromagnetischen Material auf den Seiten versehen sind, die dem Raum zwischen den Magneten gegen-überliegen.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (4, 5) so angeordnet sind, dass jede Abweichung der Magnetfeldrichtung bezüglich der Symmetrieachse (7) für jeden Magneten symmetrisch bezüglich einer zentralen Linie (6) zwischen den Magneten ist.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (4, 5) dadurch erhalten werden, dass ein einziger Magnet in zwei gleiche Teile längs einer Linie parallel zur Symmetrieachse (7) geteilt und ein Magnet um 180° um seine Symmetrieachse 7 gedreht wird.
Magnetschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie in ein Gehäuse integriert ist.