WO2006084396A1 - Näherungsdetektor zur erfassung der lageveränderung eines ferromagnetischen bauteils - Google Patents

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WO2006084396A1
WO2006084396A1 PCT/CH2006/000008 CH2006000008W WO2006084396A1 WO 2006084396 A1 WO2006084396 A1 WO 2006084396A1 CH 2006000008 W CH2006000008 W CH 2006000008W WO 2006084396 A1 WO2006084396 A1 WO 2006084396A1
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WO
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hall sensor
proximity detector
permanent magnet
hall
detector according
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PCT/CH2006/000008
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English (en)
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Inventor
Joshua Lanter
Martin Kirchner
Bruno Jenny
Original Assignee
Polycontact Ag
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/95—Proximity switches using a magnetic detector
    • H03K17/9517—Proximity switches using a magnetic detector using galvanomagnetic devices

Definitions

  • Proximity detector for detecting the change in position of a ferromagnetic component
  • the invention relates to a proximity detector for detecting the change in position of a ferromagnetic component according to the preamble of patent claim 1.
  • Hall sensors are often used as proximity detectors or sensors for non-contact determination of the state of components that change their position, in particular can take two different end positions.
  • the term ferromagnetic components also includes components made of other non-ferromagnetic materials with which at least one detectable ferromagnetic portion is arranged.
  • the basic structure of such proximity detectors is known from the prior art. They consist in principle of a constant-current supplied Hall sensor with a magnetic field-sensitive semiconductor layer, usually in an integrated design and a suitably arranged exciter magnet, in particular a permanent magnet.
  • the magnetic field of the exciter magnet is changed.
  • the constant current is influenced and the Hall sensor supplies an evaluable Ha ⁇ lschreib that can be tapped and used to evaluate a Zustarids or used directly as a switching voltage.
  • the integrated design of Hall sensors offers the possibility of integrating an evaluation circuit suitable for evaluating the switching state on the Hall sensor.
  • the structure of the proximity detector is subject to certain manufacturing tolerances. These result from the relative position of the Hall sensor with the semiconductor layer and the associated permanent magnet, the resulting from the semiconductor manufacturing variations of the Hall sensor or the scattering of the permanent magnet.
  • the scattering of the permanent magnet is a result of symmetry errors or angular errors of the magnetization.
  • These production-related tolerances can lead to irregularities in the response of the proximity detectors.
  • application-related problems can also occur, for example because due to the progressing miniaturization, the component to be detected can no longer be clearly detected by the proximity detector.
  • One example of such miniaturization-related problems in the use of proximity sensors based on Hall sensors is the monitoring of the piston of valves. Due to the progressive miniaturization of the valves, there is the problem that the Hall sensor often can not distinguish between the piston and the piston rod. This unnecessarily restricts the field of application of these proximity detectors.
  • Object of the present invention is therefore to improve a proximity detector to the effect that production-related variations can be kept small and largely compensated. Deployment restrictions due to progressive miniaturization should be eliminated. In this case, the proximity detector should have a simple structure and be inexpensive to manufacture.
  • the inventive proximity detector for detecting the change in position of a ferromagnetic component comprises a constant-current supplied Hall sensor having at least one magnetic field-sensitive semiconductor layer, and an exciter magnet, preferably a permanent magnet whose magnetic field acts on the semiconductor layer.
  • an exciter magnet preferably a permanent magnet whose magnetic field acts on the semiconductor layer.
  • the response of the Hall sensor is adjustable.
  • the Hall sensor has an adjustable output voltage. In this way, the switching point of the proximity detector can be influenced.
  • the output voltage can be adjusted by mechanical and / or electronic measures.
  • the setting of the output Hall voltage of the Hall sensor corresponds to a parallel shift of the magnetic flux-voltage characteristic of the sensor.
  • a mechanical adjustment of the output Hall voltage is advantageously carried out by changing the relative arrangement of the exciter magnet to the Hall sensor.
  • a first embodiment of the invention provides, for example, that the position of the excitation magnet in a direction perpendicular to the direction of the vector of the magnetic flux extending direction within predetermined limits is variable.
  • the excitation magnet can also be displaced parallel to the direction of the vector of the magnetic flux within the magnet. This corresponds to a translational change of the distance of one of the magnetic poles to the Hall sensor.
  • the excitation magnet is arranged slightly eccentrically with respect to the position of the magnetic field-sensitive zone of the Hall sensor.
  • a further embodiment of the invention provides that the exciter magnet is rotated relative to the Hall sensor, wherein the Hall sensor device, for example, from a central arrangement in an off-center arrangement or vice versa.
  • the proximity detector can be adapted to the geometric conditions to correctly detect the component to be monitored.
  • the proximity detector provides that the output Hall voltage of the Hall sensor is electronically adjustable.
  • the Hall sensor which is formed for example in integrated chip design, an electronically addressable register, via which the characteristic (magnetic flux to voltage) of the Hall sensor is parallel displaced.
  • This trimming consists, for example, in that diodes on the Hall sensor are activated or deactivated or resistance paths, for example with a laser, are subsequently changed, etc.
  • Programmable Hall sensors have a control unit, for example in the form of an EPROM or EEPROM, which allows the output voltage to be used to adapt and change as desired.
  • the gain or the sensitivity of the Hall sensor is adjustable.
  • An adjustment of the amplification or the sensitivity of the Hall sensor corresponds to a change in the slope of the
  • the adjustment of the gain or the sensitivity of the Hall sensor is carried out electronically.
  • the Hall sensor which is embodied, for example, in integrated chip design, has an electronically correspondingly addressable register. Hall sensors whose output voltage and their gain or sensitivity can be adjusted accordingly have two electronically addressable registers.
  • the proximity detector has a very simple construction of at least one conventional magnet and a Hall sensor with at least one magnetic field-sensitive semiconductor layer, a so-called Hall measuring field.
  • the orientation of the magnetic field formed by the excitation magnet in the interior of the magnet preferably runs parallel to the planar extent of the Hall measurement field.
  • the magnetic field of the exciter magnet is distorted and the amount of measured at the Hall measuring field measured variable changes.
  • the measured quantity can be further processed or, after any amplification, used directly for the triggering of a switching pulse.
  • the components used for the proximity detector are standard components that are simple and inexpensive to manufacture and assemble. Because of its simple and cost-effective construction, the proximity detector can be used universally wherever the change in position of a ferromagnetic component is to be detected.
  • the Hall sensor is advantageously designed as a differential Hall sensor.
  • the differential Hall sensor has at least two Hall measuring fields, which are arranged beside or behind one another with respect to the direction of the vector of the magnetic flux. Since the magnetic-field-sensitive sensor is designed as a differential Hall sensor with two measuring fields, magnetic field differences can be measured with the sensor. When differentiating the signals supplied by the Hall measurement fields, interference from external magnetic fields is eliminated. Because of the substantial insensitivity of the differential Hall sensor to external interference magnetic fields and smaller changes of the differential Hall sensor acting magnetic field can be detected. The linear arrangement of the Hall measuring fields behind or next to each other contributes to the fact. Account that the movement of the position-changing components is substantially linear.
  • the proximity detector can be designed such that the setting of the response can be performed by the user. After this but usually do not have the necessary electronic means and in many cases does not have the necessary knowledge, it proves to be advantageous if the Hall sensor and the exciter magnet are cast after setting the required parameters in plastic. The user then receives a tailor-made proximity detector tailored to his specific problem, which now only has to be mounted and connected.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a first embodiment of the inventive proximity detector.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the proximity detector according to the invention
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of the proximity detector in an arrangement according to FIG. 1 with a differential-frequency sensor
  • the proximity detector 10 shown schematically in FIG. 1 comprises a permanent magnet 11 and a magnetic field-sensitive sensor 15, which is arranged in the effective range of the magnetic flux J of the permanent magnet 11.
  • the magnetic-field-sensitive sensor is in particular a Hall sensor 15 with a magnetic field-sensitive semiconductor layer, a so-called Hall measuring field 16.
  • the permanent magnet 11 is designed as a bar magnet. N or S indicate the magnetic north pole or the magnetic south pole of the magnet.
  • the permanent magnet 11 is arranged such that the magnetic flux J within the magnet 11 runs parallel to the surface of the Hall measuring field 16 of the Hall sensor 15. When approaching a ferromagnetic component 3, which is indicated in the illustration by the double arrow P, the magnetic flux J is changed more or less strongly.
  • the change of the magnetic flux J due to the approach of the device 3 is detected.
  • an electromagnetic signal is generated, which is tapped at the Hall measuring field 16 and can be used for example for the initiation of a switching operation.
  • the Hall sensor 15 has an adjustable response; In particular, in the illustrated embodiment of the proximity detector 10, the output Hall voltage of the Hall sensor 15 is adjustable.
  • the positions of the permanent magnet 11 and the Hall sensor 15 are adjustable relative to each other.
  • the permanent magnet 11 and the Hall sensor 15 are mounted on a common holder 12.
  • the position of the permanent magnet 11 is variable via a grub screw 13 or the like in a direction perpendicular to the direction of the vector of the magnetic flux J within the permanent magnet 11 extending direction.
  • the switching point of the proximity detector 10 can be set very accurately within predetermined limits.
  • the change in the Hall output voltage of the Hall sensor 15 corresponds to a parallel shift of the magnetic flux-voltage characteristic of the sensor.
  • the Hall sensor 25 with the Hall measuring field 26 is arranged slightly off center to the permanent magnet 21.
  • the position of the permanent magnet 21 is changeable, for example, via a grub screw 23 or the like in a direction parallel to the direction of the magnetic flux J within the magnet 21. This corresponds in the illustrated embodiment, a change in the distance of one of the poles of the permanent magnet 21, in the present case of the south pole, to the Hall sensor 25th
  • the proximity detector 30 shown schematically in FIG. 3 largely corresponds in structure to the exemplary embodiment of FIG. 1.
  • the proximity detector comprises a permanent magnet 31 and a Hall sensor 35, which is located in the area of action of the magnetic field. see flow J of the permanent magnet 31 is arranged.
  • the magnetic-field-sensitive sensor 35 is a differential-Hall-effect sensor which has at least two Hall-effect measuring fields 36, 37 formed in a planar manner.
  • the Hall measuring fields 36, 37 are arranged one behind the other with respect to the permanent magnet 31.
  • the Hall measuring fields can also be arranged next to one another.
  • the permanent magnet 31 is in turn formed as in the embodiment of FIG. 1 as a bar magnet. N or S indicate the magnetic north pole or the magnetic south pole of the magnet.
  • the permanent magnet 31 is arranged such that the magnetic flux J within the magnet 31 runs parallel to the surface of the two Hall measuring fields 36 and 37 of the differential Hall sensor 35.
  • the magnetic flux J is changed more or less strongly.
  • the two Hall measuring fields 36, 37 detect the locally different flux change.
  • the resulting electromagnetic signals are used for subtraction. As a result, interference from external electromagnetic stray or interference fields can be eliminated.
  • the differential electrical signals supplied by the differential Hall sensor 35 are a direct measure of the change in position of the ferromagnetic component 3 and can be further processed or used for immediate switching operations or the like.
  • the positions of the permanent magnet 31 and the differential Hall sensor 35 are in turn adjustable relative to one another.
  • the permanent magnet 31 and the differential Hall sensor 35 are mounted on a common holder 32.
  • the position of the permanent magnet 31 is changeable, for example, via a grub screw 33 or the like in a direction perpendicular to the direction of the vector of the magnetic flux J within the permanent magnet 31.
  • the switching point of the proximity detector 30 can be set very precisely within predefined limits.
  • FIG. 4 schematically shows a further exemplary embodiment of the proximity sensor formed according to the invention, which carries the reference numeral 40 as a whole.
  • the permanent The Hall sensor may be a Hall sensor with a magnetic field-sensitive Hall measuring field 46, but it may also be designed as a differential Hall sensor with two Hall measuring fields.
  • the adjustability of the permanent magnet 41 is indicated by a double arrow A.
  • the permanent magnet 41 is rotated relative to the position of the Hall sensor 45 within predetermined limits.
  • the permanent magnet 41 is held in a pivotable guide part.
  • the Hall sensor 45 for example, from a central orientation in an off-center arrangement and vice versa and the default setting of the proximity detector 40 is changed.

Landscapes

  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Ein Näherungsdetektor (10) zur Erfassung der Lageveränderung eines ferromagnetischen Bauteils (3) umfasst einen mit Konstantstrom versorgten Hallsensor (15), der wenigstens eine magnetfeldempfindliche Halbleiterschicht (16) aufweist, und einen Permanentmagneten (11), dessen Magnetfeld (J) die Halbleiterschicht (16) beaufschlagt. Das Ansprechverhalten des Hallsensors (15) ist einstellbar.

Description

Näherungsdetektor zur Erfassung der Lageveränderung eines f erromagnetischen Bauteils
Die Erfindung betrifft einen Näherungsdetektor zur Erfassung der Lageveränderung eines f erromagnetischen Bauteils gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In vielen technischen Anwendung, beispielsweise in der Kfz-Technik, im Maschinenbau und dergleichen, ist es erforderlich, die Lageveränderung eines Bauteils an ein zweites Bauteil messtechnisch schnell und zuverlässig zu erfassen. Im Fall von ferromagnetischen Bauteilen werden vielfach Hallsensoren als Näherungsdetektoren oder als Sensoren zur berührungslosen Bestimmung des Zustande von Bauteilen eingesetzt, die ihre Lage verändern, insbesondere zwei unterschiedliche Endlagen einnehmen können. Die Bezeichnung ferromagnetische Bauteile schliesst auch Bauteile aus anderen, nicht ferromagneti- sehen Materialien mit ein, an denen wenigstens ein detektierbarer f erromagnetischer Abschnitt angeordnet ist. Der grundsätzliche Aufbau derartiger Näherungsdetektoren ist aus dem Stand der Technik bekannt. Sie bestehen im Prinzip aus einem mit Konstantstrom versorgten Hallsensor mit einer magnetfeldempfindlichen Halbleiterschicht, üblicherweise in integrierter Bauweise und einem geeignet angeordneten Erregermagneten, insbe- sondere einem Permanentmagneten. Durch die Annäherung eines ferromagnetischen Bauteils wird das Magnetfeld des Erregermagneten verändert. Dadurch wird der Konstantstrom beeinflusst und der Hallsensor liefert eine auswertbare Haϊlspannung, die abgegriffen und zur Auswertung eines Zustarids herangezogen bzw. auch unmittelbar als Schaltspannung eingesetzt werden kann. Die integrierte Bauweise von Hallsensoren bie- tet die Möglichkeit, bereits eine zur Auswertung des Schaltzustandes geeignete Auswerteschaltung auf dem Hallsensor zu integrieren.
Der Aufbau des Näherungsdetektors unterliegt gewissen fertigungstechnischen Toleranzen. Diese ergeben sich aus der relativen Position des Hallsensors mit der Halbleiter- Schicht und des zugehörigen Permanentmagneten, den aus der Halbleiterfertigung resultierenden Streuungen des Hallsensors oder der Streuung des Permanentmagneten. Die Streuung des Permanentmagneten ist dabei ein Resultat von Symmetriefehlern oder von Winkelfehlern der Durchmagnetisierung. Diese fertigungstechnisch bedingten Toleranzen können zu Unregelmässigkeiten im Ansprechverhalten der Näherungsdetektoren führen. Es können aber auch anwendungsbedingten Probleme auftreten, beispielsweise weil aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung das zu detektierenden Bauteil mit dem Näherungsdetektor nicht mehr eindeutig erfassbar ist. Ein Beispiel für derartige miniaturi- sierungsbedingte Probleme in der Anwendung von auf Hallsensoren beruhenden Näherungsdetektoren stellt die Überwachung des Kolbens von Ventilen dar. Wegen der fortschreitenden Miniaturisierung der Ventile besteht das Problem, dass der Hallsensor oft nicht mehr zwischen dem Kolben und der Kolbenstange unterscheiden kann. Dadurch wird der Einsatzbereich dieser Näherungsdetektoren unnötigerweise eingeschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Näherungsdetektor dahingehend zu verbessern, dass fertigungstechnisch bedingte Streuungen klein gehalten und weitgehende kompensiert werden können. Einsatzbeschränkungen aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung sollen beseitigt werden. Dabei soll der Näherungsdetektor einen einfachen Aufbau aufweisen und kostengünstig in der Herstellung sein.
Die Lösung dieser Aufgaben besteht in einem Näherungsdetektor zur Erfassung der La- ■ geveränderung eines ferromagnetischen Bauteils, der die im kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale aufweist. Weiterbildungen und/ oder vor- teilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemässe Näherungsdetektor zur Erfassung der Lageveränderung eines ferromagnetischen Bauteils umfasst einen mit Konstantstrom versorgten Hallsensor, der wenigstens eine magnetfeldempfindliche Halbleiterschicht aufweist, und einen Erregermagneten, vorzugsweise einen Permanentmagneten, dessen Magnetfeld die Halbleiterschicht beaufschlägt. Zur Lösung der erfindungsgemässen Aufgaben ist das Ansprechverhalten des Hallsensors einstellbar.
Durch das einstellbare Ansprechverhalten des Hallsensors ist der Näherungsdetektor auf die jeweilige Anwendungssituation optimal anpassbar. Fertigungsbedingte Streuungen des Hallsensors von Produktionscharge zu Produktionscharge oder Symmetriefehler und/ oder Winkelfehler in der Durchmagnetisierung des Erregermagneten können durch das einstellbare Ansprechverhalten des Hallsensors sehr einfach kompensiert werden. Wegen der Einstellbarkeit des Ansprechverhaltens des Hallsensors eröffnet ein und demselben Typ von Näherungsdetektor ein grosseres Einsatzgebiet. Dabei bleibt der grundsätzliche Aufbau des Näherungsdetektors unverändert. Dies wirkt sich unmittelbar vor- teilhaft auf die Fertigungskosten aus.
In einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung weist der Hallsensor eine einstellbare Ausgangshallspannung auf. Auf diese Weise ist der Schaltpunkt des Näherungsdetektors beeinflussbar. Die Ausgangshallspannung kann dabei durch mechanische und/ oder elektronische Massnahmen eingestellt werden. Die Einstellung der Ausgangshallspannung des Hallsensors entspricht dabei einer Parallelverschiebung der Magnetfluss- Spannungs-Kennlinie des Sensors.
Eine mechanische Einstellung der Ausgangshallspannung erfolgt mit Vorteil durch eine Veränderung der relativen Anordnung des Erregermagneten zum Hallsensor. Eine erste Ausführungsvariante der Erfindung sieht beispielsweise vor, dass die Position des Erregermagneten in einer senkrecht zur Richtung des Vektors des magnetischen Flusses verlaufenden Richtung innerhalb vorgegebener Grenzen veränderbar ist. In einer alternativen Ausführungsvariante kann der Erregermagnet auch parallel zur Richtung des Vek- tors des magnetischen Flusses innerhalb des Magneten verschoben werden. Dies entspricht einer translativen Veränderung des Abstands eines der magnetischen Pole zum Hallsensor. Bei dieser Ausführungsvariante ist der Erregermagnet bezüglich der Lage der magnetfeldsensitiven Zone des Hallsensors leicht aussermittig angeordnet. Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der Erregermagnet gegenüber dem Hallsensor verdreht wird, wobei der Hallsensor beispielsweise aus einer mittigen Anordnung in eine aussermittige Anordnung gerät oder umgekehrt.
Zur möglichst einfachen Verstellung ihrer relativen Lage sind der Hallsensor und der Erregermagnet an einem gemeinsamen Halter angeordnet. Die Lage des Erregermagneten bezüglich der Position des Hallsensors ist beispielsweise über eine Madenschraube oder dergleichen verstellbar. Durch die gezielte Lageveränderung des Erregermagneten verändert sich der auf die magnetfeldsensitive Halbleiterschicht einwirkende magnetische Fluss. Daraus ergibt sich eine geänderte AusgangshaUspannung, welche den Einsatz- bzw. Schaltpunkt des Näherungsdetektors festlegt. Gerade bei Anwendungen zur Überwachung miniaturisierter f erromagnetischer Bauteile, wie z.B. Ventilen und dgl., kann durch eine mechanische Verstellung der Position des Erregermagneten der Näherungsdetektor an die geometrischen Gegebenheiten angepasst werden, um das zu überwachende Bauteil korrekt zu detektieren.
Eine alternative Ausführungsvariante des Näherungsdetektors sieht vor, dass die Ausgangshallspannung des Hallsensors elektronisch einstellbar ist. Dazu weist der Hallsensor, der beispielsweise in integrierter Chipbauweise ausgebildet ist, ein elektronisch adressierbares Register auf, über welches die Kennlinie (Magnetfluss zu Spannung) des Hallsensors parallelverschiebbar ist. Diese Trimmung besteht beispielsweise darin, dass Dioden auf dem Hallsensor aktiviert oder deaktiviert werden oder Widerstandsstrecken, beispielsweise mit einem Laser, nachträglich verändert werden, usw. Programmierbare Hallsensoren weisen eine Steuereinheit, beispielsweise in Form eines EPROMS oder EEPROMS auf, welche es erlaubt, die Ausgangshallspannung nach Wunsch anzupassen und zu verändern.
Es kann auch eine Kombination der mechanischen und elektronischen Einstellbarkeit des Ansprechverhaltens des Hallsensors vorgesehen sein, um die Variabilität des Näherungs- detektors noch weiter zu vergrössern.
In einer weiteren Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass anstelle oder auch in Ergänzung zur Einstellbarkeit der Ausgangshallspannung des Hallsensors die Verstärkung bzw. die Sensibilität des Hallsensors verstellbar ist. Eine Verstellung der Verstär- kung bzw. der Sensibilität des Hallsensors entspricht einer Änderung der Steigung der
Magnetfluss-Spannungs-Kennlinie des Sensors. Die Verstellung der Verstärkung bzw. der Sensibilität des Hallsensors erfolgt auf elektronischem Weg. Dazu weist der Hallsensor, der beispielsweise in integrierter Chipbauweise ausgebildet ist, ein elektronisch entsprechend adressierbares Register auf. Hallsensoren, deren Ausgangshallspannung und deren Verstärkung bzw. Sensibilität einstellbar sind, weisen entsprechend zwei elektronisch adressierbare Register auf. Der Näherungsdetektor weist einen sehr einfachen Aufbau aus wenigstens einem herkömmlichen Magneten und einem Hallsensor mit wenigstens einer magnetfeldempfindlichen Halbleiterschicht, einem sogenannten Hall-Messfeld, auf. Vorzugsweise verläuft die Orientierung des vom Erregermagneten gebildeten Magnetfeldes im Inneren des Magne- ten parallel zur flächigen Erstreckung des Hall-Messfeldes. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Richtung des magnetischen Flusses des Erregermagneten senkrecht zur Richtung der am Hall-Messfeld bestimmten Messgrösse verläuft. Bei einer Annäherung eines ferromagnetischen Bauteils wird das Magnetfeld des Erregermagneten verzerrt und der Betrag der am Hall-Messfeld abgegriffenen Messgrösse verändert sich. Die abgegrif- fene Messgrösse kann weiterverarbeitet oder nach einer allfälligen Verstärkung unmittelbar für die Auslösung eines Schaltimpulses eingesetzt werden. Die für den Näherungsdetektor verwendeten Bauteile sind Standardbauteile, die einfach und kostengünstig herstellbar und zusammenstellbar sind. Wegen seines einfachen und kostengünstigen Aufbaus ist der Näherungsdetektor universell überall dort einsetzbar, wo die Lageverände- rung eines ferromagnetischen Bauteils erf asst werden soll.
Zur Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber magnetischen oder elektromagnetischen Störfeldern ist der Hallsensor mit Vorteil als ein Differentialhallsensor ausgebildet. Der Differentialhallsensor weist dazu wenigstens zwei Hall-Messfelder auf, die bezogen auf die Richtung des Vektors des magnetischen Flusses neben- bzw. hintereinander angeordnet sind. Indem der magnetfeldempfindliche Sensor als ein Differentialhallsensor mit zwei Messfeldern ausgebildet ist, sind mit dem Sensor Magnetfelddifferenzen messbar. Bei der Differenzbildung der von den Hall-Messfeldern gelieferten Signale fallen Störeinflüsse von äusseren Magnetfeldern weg. Wegen der weitgehenden Unempfindlichkeit des Differentialhallsensors gegenüber äusseren Störmagnetfeldern sind auch kleinere Änderungen des den Differentialhallsensor beaufschlagenden Magnetfeldes detektierbar. Die lineare Anordnung der Hall-Messfelder hinter- bzw. nebeneinander trägt dem Umstand . Rechnung, dass die Bewegung der lageverändernden Bauteile im wesentlichen linear erfolgt. Dadurch sind auch die Voraussetzungen für eine Optimierung der Grosse der Sig- naländerung am Ausgang des Differentialhallsensors geschaffen. Einflüsse durch mechanische Beanspruchungen, insbesondere durch Erschütterungen, können wegen der Differenzbildung der von den beiden Hall-Messfeldern gelieferten Signale sehr leicht kompensiert werden. Prinzipiell kann der Näherungsdetektor derart ausgebildet sein, dass die Einstellung des Ansprechverhaltens vom Anwender durchgeführt werden kann. Nachdem dieser aber in der Regel nicht über die erforderlichen elektronischen Mittel verfügen und vielfach auch nicht die nötigen Kenntnisse aufweist erweist es sich von Vorteil, wenn der Hallsensor und der Erregermagnet nach der Einstellung der erforderlichen Parameter in Kunststoff vergossen werden. Der Anwender erhält dann einen auf seine spezifische Problemstellung massgeschneiderten Näherungsdetektor, der nur noch montiert und angeschlossen werden muss.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen des Näherungsdetektors zur Erfassung der Lageveränderung eines ferromagnetischen Bauteils unter Bezugnahme auf die schematischen Figuren. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:
Fig. 1 den schematischen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Näherungsdetektors;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Näherungsdetektors;
Fig.3 ein drittes Ausführungsbeispiel des Näherungsdetektors in einer Anordnung ge- mäss Fig. 1 mit einem Differentialhallsensor; und
Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Näherungsdetektors.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Näherungsdetektors 10 umfasst einen Permanentmagneten 11 und einen magnetfeldempfindlichen Sensor 15, der im Wirkungsbereich des magnetischen Flusses J des Permanentmagneten 11 angeordnet ist. Bei dem magnetfeldempfindlichen Sensor handelt es sich insbesondere um einen Hallsensor 15 mit einer magnetfeldempfindlichen Halbleiterschicht, einem sogenannten Hall-Messfeld 16. Der Permanentmagnet 11 ist als ein Stabmagnet ausgebildet. N bzw. S kennzeichnen den magnetischen Nordpol bzw. den magnetischen Südpol des Magneten. Der Permanentmagnet 11 ist derart angeordnet, dass der magnetische Fluss J innerhalb des Magneten 11 parallel zur Oberfläche des Hall-Messfeldes 16 des Hallsensors 15 verläuft. Bei der Annäherung eines f erromagnetischen Bauteils 3, welche in der Darstellung durch den Doppelpfeil P angedeutet ist, wird der magnetische Fluss J mehr oder weniger stark verändert. Die Änderung des magnetischen Flusses J auf Grund der Annäherung des Bauteils 3 wird detektiert. Abhängig von der Grundeinstellung des mit einem Konstantstrom versorgten Hallsensors 15 wird beispielsweise bei Erreichen eines Schwellenwertes ein elektromagnetisches Signal erzeugt, welches am Hall-Messfeld 16 abgegriffen wird und beispielsweise für die Einleitung eines Schaltvorgangs eingesetzt werden kann.
Der Hallsensor 15 weist ein einstellbares Ansprechverhalten auf; insbesondere ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Näherungsdetektors 10 die Ausgangshallspannung des Hallsensors 15 einstellbar. Dazu sind die Positionen des Permanentmagneten 11 und des Hallsensor 15 relativ zueinander verstellbar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Permanentmagnet 11 und der Hallsensor 15 an einem gemeinsamen Halter 12 montiert. Die Position des Permanentmagneten 11 ist über eine Madenschraube 13 oder dergleichen in einer senkrecht zur Richtung des Vektors des magnetischen Flusses J innerhalb des Permanentmagneten 11 verlaufenden Richtung veränderbar. Dadurch kann der Schaltpunkt des Näherungsdetektors 10 innerhalb vorgegebener Grenzen sehr genau eingestellt werden. Die Veränderung der Hallausgangsspannung des Hallsensors 15 ent- spricht dabei einer Parallelverschiebung der Magnetfluss-Spannungs-Kennlinie des Sensors.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten, gesamthaft mit dem Bezugszeichen 20 versehenen Näherungsdetektor ist der Hallsensor 25 mit dem Hall-Messfeld 26 leicht aussermittig zu dem Permanentmagneten 21 angeordnet. Die Position des Permanentmagneten 21 ist beispielsweise über eine Madenschraube 23 oder dergleichen in einer Richtung parallel zur Richtung des magnetischen Flusses J innerhalb des Magneten 21 veränderbar. Dies entspricht im dargestellten Ausführungsbeispiel einer Veränderung des Abstands eines der Pole des Permanentmagneten 21, im vorliegenden Falls des Südpols, zum Hallsensor 25.
Der in Fig. 3 schematisch dargestellte Näherungsdetektors 30 entspricht vom Aufbau weitgehend dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1. Der Näherungsdetektor umfasst einen Permanentmagneten 31 und einen Hallsensor 35, der im Wirkungsbereich des magneti- sehen Flusses J des Permanentmagneten 31 angeordnet ist. Bei dem magnetfeldempfindlichen Sensor 35 handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Differentialhallsensor, der wenigstens zwei flächig ausgebildete Hall-Messfelder 36, 37 aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Hall-Messfelder 36, 37 bezogen auf den Per- manentmagneten 31 hintereinander angeordnet. In einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung können die Hall-Messfelder auch nebeneinander angeordnet sein.
Der Permanentmagnet 31 ist wie im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 wiederum als ein Stabmagnet ausgebildet. N bzw. S kennzeichnen den magnetischen Nordpol bzw. den magnetischen Südpol des Magneten. Der Permanentmagnet 31 ist derart angeordnet, dass der magnetische Fluss J innerhalb des Magneten 31 parallel zur Oberfläche der beiden Hall-Messfelder 36 und 37 des Differentialhallsensors 35 verläuft. Bei der Annäherung eines ferromagnetischen Bauteils 3, welche in der Darstellung wiederum durch den Doppelpfeil P angedeutet ist, wird der magnetische Fluss J mehr oder weniger stark verän- dert. Die beiden Hall-Messfelder 36, 37 detektieren die örtlich unterschiedliche Flussänderung. Die daraus resultierenden elektromagnetischen Signale werden zur Differenzbildung herangezogen. Dadurch können Störeinflüsse von externen elektromagnetischen Streu- bzw. Störfeldern eliminiert werden. Die vom Differentialhallsensor 35 gelieferten elektrischen Differenzsignale sind ein unmittelbares Mass für die Lageveränderung des ferromagnetischen Bauteils 3 und können weiter verarbeitet oder für unmittelbare Schaltvorgänge oder dergleichen herangezogen werden.
Zur Verstellung des Ansprechverhaltens des Hallsensors 35 sind die Positionen des Permanentmagneten 31 und des Differentialhallsensors 35 wiederum relativ zueinander ver- stellbar. Dazu sind der Permanentmagnet 31 und der Differentialhallsensor 35 an einem gemeinsamen Halter 32 montiert. Die Position des Permanentmagneten 31 ist beispielsweise über eine Madenschraube 33 oder dergleichen in einer senkrecht zur Richtung des Vektors des magnetischen Flusses J innerhalb des Permanentmagneten 31 verlaufenden Richtung veränderbar. Dadurch kann der Schaltpunkt des Näherungsdetektors 30 inner- halb vorgegebener Grenzen sehr genau eingestellt werden.
Fig.4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäss ausgebildeten Näherungssensors, der gesamthaft das Bezugszeichen 40 trägt. Der Permanent- magnet ist mit dem Bezugszeichen 41 versehen, der Hallsensor trägt das Bezugszeichen 45. Der Hallsensor kann ein Hallsensor mit einem magnetfeldsensitiven Hall-Messfeld 46 sein, er kann aber auch als ein Differentialhallsensor mit zwei Hall-Messfeldern ausgebildet sein. Die Verstellbarkeit des Permanentmagneten 41 ist durch einen Doppelpfeil A angedeutet. Insbesondere ist der Permanentmagnet 41 gegenüber der Lage des Hallsensors 45 innerhalb vorgegebner Grenzen geführt verdrehbar. Beispielsweise ist dazu der Permanentmagnet 41 in einem verschwenkbaren Führungsteil gehalten. Dabei gerät der Hallsensor 45 beispielsweise aus einer mittigen Ausrichtung in eine aussermittige Anordnung und umgekehrt und die Grundeinstellung des Näherungsdetektors 40 wird verän- dert.

Claims

Patentansprüche
1. Näherungsdetektor zur Erfassung der Lageveränderung eines ferromagnetischen
Bauteils (3) mit einem mit Konstantstrom versorgten Hallsensor (15; 25; 35; 45), der wenigstens eine magnetfeldempfindliche Halbleiterschicht (16; 26; 36, 37; 46) aufweist, und einem Permanentmagneten (11; 21; 31; 41), dessen Magnetfeld (J) die Halbleiterschicht(en) (16; 26; 36, 37; 46) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansprechverhalten des Hallsensors (15; 25; 35; 45) einstellbar ist.
2. Näherungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (15; 25; 35; 45) eine einstellbare Ausgangshallspannung aufweist.
3. Näherungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus- gangshallspannung durch eine Veränderung der relativen Anordnung des Perma- nentmagneten (11; 21; 31; 41) zum Hallsensor (15; 25; 35; 45) einstellbar ist.
4. Näherungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Permanentmagneten (11; 21; 31) in einer senkrecht oder parallel zur Richtung des Vektors des magnetischen Flusses (J) innerhalb des Permanentmagneten (11; 21; 31) verlaufenden Richtung, innerhalb vorgegebener Grenzen veränderbar ist.
5. Näherungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (41) gegenüber dem Hallsensor (41) innerhalb vorgegebener Grenzen geführt verdrehbar ist.
6. Näherungsdetektor nach einem der Ansprüche 3 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (15; 25; 35; 45) und der Permanentmagnet (11; 21; 31; 41) an einem gemeinsamen Halter (12; 22; 32; 42) angeordnet sind und die Lage des Permanentmagneten (11; 21; 31; 41) über eine Madenschraube (13; 23; 33) oder der- gleichen verstellbar ist.
7. Näherungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor in integrierter Chipbauweise ausgebildet ist und ein Register zur elektronischen Verstellung der Ausgangshallspannung aufweist.
8. Näherungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor in integrierter Chipbauweise ausgebildet ist, und ein Register zur elektronischen Verstellung der magnetfeldabhängigen Spannungsänderungverstärkung aufweist.
9. Näherungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (11; 21; 31; 41) einen magnetischen Fluss (J) aufweist, dessen Vektor innerhalb des Magneten (11; 21; 31; 41) parallel zur flächigen Erstreckung der magnetfeldempfindlichen Halbleiterschicht(en) (16; 26; 36, 37; 46) verläuft.
10. Näherungsdetektor gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor als ein Differential-Hallsensor (35) ausgebildet ist und wenigstens zwei magnetfeldempfindliche Halbleiterschichten bzw. Hall- Messfelder (36, 37) aufweist, die bezogen auf die Richtung des Vektors des magne- tischen Flusses (J) neben- bzw. hintereinander angeordnet sind.
11. Näherungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor und der Permanentmagnet in Kunststoff vergossen sind.
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