DE19505759A1 - Schalter mit einem Hall-Differenz-IC für berührungslose Positionsabfrage, insbesondere im Kfz-Bereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter mit einem Hall-Diffe­ renz-IC, der mindestens zwei nebeneinander angeordnete Hall-Sensoren und mindestens eine Auswerteschaltung aufweist, so­ wie mit einem fest unterhalb der beiden Hall-Sensoren ange­ ordneten Dauermagneten, der mit einem Pol den beiden Hall-Sensoren zugewandt ist, und dessen Feldlinien die Hall-Senso­ ren durchsetzen, wobei eine Magnetflußdifferenz zwischen den beiden Hall-Sensoren über die Auswerteschaltung ermittelt und aus einer Änderung dieser Differenz bei Annäherung eines fer­ romagnetischen Ausläseteils ein Schaltsignal abgeleitet wird.

Ein derartiger Näherungsschalter ist bereits aus der DE 42 11 486 C1 bekannt.

Insbesondere bei Personenkraftfahrzeugen besteht gegenwärtig ein Trend, mindestens einige der bisher verwendeten mechani­ schen Schalter durch berührungslose nicht-induktive Ball-Schalter zu ersetzen. Hauptbestandteil eines solchen Schal­ ters ist ein Hall-Sensor, der bekanntlich prinzipiell aus ei­ ner Halbleiterschicht mit hoher Elektronenbeweglichkeit be­ steht, die mit einem Konstantstrom versorgt wird. Beim Anle­ gen eines transversalen Magnetfeldes wird der Konstantstrom beeinflußt und eine Hall-Spannung geliefert, die proportional zur anliegenden transversalen Magnetfeldstärke ist. Durch die Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial lassen sich Hall-Sensor und Auswerteschaltung zusammen als integrierter Schaltkreis (IC) auf einem Chip integrieren. Für die inte­ grierte Signalauswertung gibt es dabei drei unterschiedliche Möglichkeiten: Ein lineares Ausgangssignal, ein schaltendes (digitales) Ausgangssignal und die Auswertung des Differenz­ signals zweier Sensoren.

An für die Verwendung im Kfz-Karosseriebereich vorgesehene Mikroschalter werden hohe Anforderungen hinsichtlich ihres Schaltbereiches gestellt: Beispielsweise werden für Kfz-Tür­ schlösser hohe Schaltabstände von ca. 4 mm benötigt, um die auftretenden Toleranzen aufzufangen, andererseits soll der Schalter bei einem nur wenige Millimeter größeren Abstand, der durch die Vorraststellung der Drehfalle eines Türschlos­ ses definiert ist, natürlich nicht mehr schalten. Die hier geforderten relativ großen Schaltabstände zwischen Sensor und Auslöseteil können prinzipiell entweder durch Schalter, die einen Hall-Sensor und mindestens zwei Magneten enthalten und dadurch aufwendig sind, oder durch eine Anordnung aus nur ei­ nem Dauermagneten und einem eine ausreichende Empfindlichkeit gewährleistenden Hall-Differenz-IC realisiert werden.

Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist die bereits in der DE 42 11 486 C1 näher beschriebene Problematik:

Ist ein integrierter Schaltkreis mit zwei Hall-Sensoren wie üblich auf Nulldifferenz abgeglichen, so entsteht bei Annähe­ rung eines ferromagnetischen Auslösekörpers an einen der bei­ den Hall-Sensoren zunächst ein Differenzsignal, welches zum Schalten ausgewertet werden kann. Wird jedoch der Auslösekör­ per weiter über den IC hinweg bewegt, so daß er auch das Ma­ gnetfeld in dem zweiten Hall-Sensor beeinflußt, so verschwin­ det bei mittiger Anordnung des Auslösekörpers über den beiden nebeneinanderliegenden Sensoren die Differenz wieder. Für An­ wendungsfälle, in denen nicht eine Vorbeibewegung ausgewertet werden soll, sondern in denen ein Schalter mit lediglich zwei eindeutig voneinander unterscheidbaren Schaltzuständen ge­ schaffen werden soll, ist dieser Effekt, also die Aufhebung der Magnetflußdifferenz durch eine Mittenstellung des Auslö­ sekörpers, unerwünscht. In der genannten Patentschrift wird als Lösung vorgeschlagen, daß eine ferromagnetische Justier­ glatte dem Dauermagneten gegenüberliegend im Bereich eines ersten Hall-Sensors fest angeordnet ist, daß eine dadurch vorgegebene Differenz der magnetischen Induktion als Ruhezu­ stand festgelegt ist und daß eine Reduzierung dieser Diffe­ renz bei Annäherung des ferromagnetischen Körpers an den zweiten Hall-Sensor als Einschaltzustand des Schalters ausge­ wertet wird. Es wird also nicht auf Nulldifferenz abgegli­ chen, vielmehr wird mit der Justierplatte eine Magnetflußdif­ ferenz vorgegeben, die durch Annäherung des Auslösekörpers zum Verschwinden bzw. zum Umkippen gebracht wird. Selbst wenn anschließend der Auslösekörper über die Mitte auch über den ersten Hall-Sensor geschoben wird, kann das Magnetfeld insge­ samt nicht wieder die ursprüngliche Form annehmen, da die ma­ gnetische Induktion im Bereich des ersten Hall-Sensors durch die Justierplatte bereits in den Maxiinalbereich verschoben ist. Durch diese gezielte Vorwahl der Magnetflußdifferenz können zugleich alle sonstigen Toleranzen, die vom Dauerma­ gneten oder von den Sensoren selbst herrühren, durch entspre­ chende Positionierung allein der Justierplatte mit abgegli­ chen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine klare Unter­ scheidung zweier Schaltzustände, also Einschalt- und Aus­ schaltzustand, ermöglicht, und der noch kleiner bzw. einfa­ cher als die bekannten Schalter aufgebaut ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Sensor-Achse des IC gegenüber der aktiven Fläche des Schalters, an die das Auslöseteil angenähert wird, schräg angeordnet ist, und daß eine bei Annäherung des Auslöseteils an denjenigen Hall-Sensor, der durch die schräge Anordnung einen geringeren Abstand zur aktiven Fläche als der andere Hall-Sensor auf­ weist, entstehende Magnetflußdifferenz als Einschaltzustand des Schalters ausgewertet wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen Schal­ ters,

Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht des Schalters,

Fig. 3 ein Schaltungs-Blockdiagramm für eine bei einem er­ findungsgemäßen Schalter verwendbare Auswerteschaltung,

Fig. 4A und B zwei Ausführungen eines in einem Gehäuse befe­ stigten Schalters,

Fig. 5 eine geschnittene Seitenansicht eines im Schließkeil eines Kfz-Türschalters integrierten Schalters,

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine mit dem Schließkeil gemäß Fig. 5 zusammenwirkende Drehfalle,

Fig. 7A eine Draufsicht auf einen Schließkeil gemäß Fig. 5, sowie verschiedene Schnitte 7B, 7C und 7D der Fig. 7A.

Die wesentlichen Bestandteile des Schalters sind in Fig. 1 dargestellt, während seine Funktionsweise am klarsten aus Fig. 2 hervorgeht. Der Hall-Differenz-IC 4 besteht, wie darge­ stellt, aus einem ersten Hall-Sensor 1, einem daneben ange­ ordneten Hall-Sensor 2 und einer dazwischen angeordneten Aus­ werteschaltung 3. Zwischen der Unterseite des IC 4 und dem darunter befindlichen Dauermagneten 5 ist zur Homogenisierung und Divergierung des Magnetfeldes ein aus Nickel-Eisen-Mate­ rial bestehendes, an sich bekanntes Polplättchen 6 angeord­ net. Die erfindungsgemäße Schrägstellung des IC 4 läßt sich vorteilhaft dadurch realisieren, daß die Anordnung gemäß Fig. 1 schräg in einem Isolierstoffgehäuse 7 eingekapselt bzw. eingespritzt ist.

In Fig. 2 ist erkennbar, daß der IC 4 einen Winkel von etwa 30 ± 5° zur aktiven Fläche 11 des Schalters, die parallel zur schalterseitigen Stirnfläche des Auslösekörpers 8 verläuft, bildet. Nicht dargestellt ist die Sensor-Achse des IC, die durch eine parallel zur Polfläche des Dauermagneten verlau­ fende gedachte Verbindungslinie der beiden Hall-Sensoren ge­ bildet ist. In Fig. 2 stellt die gepunktete Linie den Ma­ gnetflußverlauf ohne Auslöseteil 8, die gestrichelte Linie jedoch den Magnetflußverlauf mit Auslöseteil 8 dar. In Ruhe­ stellung, also bei entferntem Auslöseteil 8, werden in beiden Hall-Sensoren des IC gleiche Magnetflüsse wahrgenommen. Das IC ist dadurch im Ausschaltzustand. Kommt ein ferromagneti­ sches Auslöseteil in die Nähe des Hall-Sensors 2, so wird das Magnetfeld an der Näherungsstelle angehoben. Durch die erfin­ dungsgemäße schräge Anordnung des IC 4 wird der Magnetfluß durch den Hall-Sensor 2, der aufgrund der schrägen Ausrich­ tung des IC einen geringeren Abstand zum Auslöseteil 8 auf­ weist, größer als durch den anderen, vom Auslöseteil 8 weiter entfernten Hall-Sensor 1, so daß der IC in den Einschaltzu­ stand kommt. Da das Auslöseteil 8, wie in Fig. 2 und 6 darge­ stellt, üblicherweise an seiner zur aktiven Fläche weisenden Seite flächig und mit mindestens ähnlicher Ausdehnung wie der IC 4 ausgebildet ist, bleibt der gewünschte asymmetrische Ma­ gnetflußverlauf auch bei mittiger Anordnung des Auslöseteils 8 über dem IC 4 erhalten. Ein in der Praxis nicht vorkommen­ des punktförmiges Auslöseteil würde zwar bei einer Bewegung über den IC 4 hinweg an einer Stelle eine symmetrische Feld­ verzerrung hervorrufen, die sich jedoch nicht als verschwin­ dende Magnetflußdifferenz auswirken würde, da der kuppelför­ mige Auslösebereich des Hall-Sensors 1 aufgrund der Schräg­ stellung unterhalb des Auslöseteils liegt, so daß dieses nicht hineingelangt. Durch die in Fig. 3 dargestellte Hall- Differenz-Schaltung mit zwei Eingängen und einem Ausgang wer­ ben im übrigen nur positive Magnetflußdifferenzen ausgewer­ tet.

Mit dem hier beschriebenen Prinzip kann ein preisgünstiger Näherungsschalter auf Basis von Hall-Generatoren realisiert werden. Aufgrund der empfindlichen Hall-Differenz-Anordnung können Schaltabstände von mehr als 4 mm bei gleichzeitiger sehr geringer Störanfälligkeit gegenüber externen Einflüssen erreicht werden.

In den Fig. 4A und 4B ist jeweils eine schräg in einem Isolierstoffgehäuse 7 befestigte Anordnung gemäß Fig. 1 dargestellt. Angedeutet ist auch jeweils der kuppelförmige Auslösebereich 9. Der Schalter wird so justiert, daß ein Schaltsignal von ein auf aus bzw. umgekehrt erzeugt wird, wenn ein Auslöseteil in diesen Auslösebereich 9 hineinge­ bracht wird bzw. diesen verläßt. Die Anschlüsse des Mikro­ schalters werden mittels einer Stanzplatine 10 (Leadframe), die nur in Fig. 4B sichtbar dargestellt ist, realisiert. Der IC 4 wird entweder in behäuster Form, wie in Fig. 4A darge­ stellt, auf die Stanzplatine verschweißt oder in nackter, un­ behäuster Form, wie in Fig. 4B dargestellt, gebondet. Das andere Ende der Stanzplatine 10 kann verschiedene Anschluß­ formen, wie Steckanschluß, Lötstifte, Lötfahnen, Schneid-Klemm­ verbindung usw. annehmen. Bei der gebondeten Ausführung gemäß Fig. 4B kann das Polplättchen 6 durch eine Eisen-Plat­ tierung an der Rückseite der Stanzplatine 10 ersetzt werden. Der Magnet 5 kann ebenso wie der Chip 4 auf die Stanzplatine geklebt werden.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Mikroschalters ergibt sich, wenn dieser am Schließkeil des Türschlosses einer Kraftfahrzeugtür befestigt ist, und wenn dabei der Auslösekörper durch die zugehörige Drehfalle des Türschlosses gebildet ist, deren Endraststellung durch den Mikroschalter abfragbar ist. In Fig. 5 ist dementsprechend ein bügelförmiger Schließkeil 12 mit Kunststoffabdeckung 13 und integriertem Mikroschalter dargestellt. Der Schließkeil 12 befindet sich in der B- bzw. C-Säule des Autos. Der Mikro­ schalter wird durch die aus Stahl hergestellte Drehfalle 14 des Türschlosses betätigt, wie dies in Fig. 6 näher darge­ stellt ist. Die Drehfalle 14 ist dabei speziell für den Mi­ kroschalter mit einem Auslösezahn 15 versehen. Dieser Zahn 15 sorgt für eine noch größere Magnetflußdifferenz in den Hall-Sensoren. Es ergibt sich eine erheblich vergrößerte Magnet­ flußdifferenz im Vergleich zu einem geraden Betätigungsele­ ment.

Der Aufbau dieses im Schließkeil integrierten Mikroschalters ist in Fig. 7A bis D dargestellt. Der Hall-Differenz-IC 4 ist mittels einer Widerstandsverschweißung mit dem Leadframe 10, einer CuSn6 Stanzplatine verbunden. Die andere Seite der Stanzplatine 10 hat zwei verzinnte ELO-Steckerstifte 16. Der IC 4 mit Stanzplatine 10 ist mit Kunststoff umspritzt. Der Magnet 5 mit dem Polplättchen 6 wird nach der ersten Umsprit­ zung im Isolierstoffgehäuse 7 bestückt. Danach ist für das Fixieren des Magneten 5 und für das Abdichten der Stanzpla­ tine 10 (Aufnahmelöcher der ersten Umspritzung) eine zweite Umspritzung im Zwei-Komponenten-Spritzverfahren erforderlich.

Der berührungslose Hall-Schalter hat gegenüber einem herkömm­ lichen Schließkeil mit einem mechanischen Schalter folgende Vorteile: Durch den Einsatz von weniger Einzelteilen resul­ tiert zunächst eine höhere Zuverlässigkeit. Durch die gerin­ geren Toleranzen auf dem Einschaltpunkt lassen sich Bewe­ gungsübertragungen über schräge Flanken vermeiden. Es kommt zu keinem Verschleiß der Einzelteile und des Betätigungsele­ ments; eine Kontaktverschmutzung, ein Kontaktverschleiß und Kontaktprellen ist verhindert. Zudem besteht keine Gefahr des Festfrierens mechanischer Teile.

Es hat sich herausgestellt, daß sich durch das Zusammenwirken der magnetischen Toleranzen mit den IC-Toleranzen eine Emp­ findlichkeitskurve der Magnetflußdifferenz gegenüber dem Schaltabstand ergibt, aus der ablesbar ist, daß bei großen Schaltabständen die Toleranzen vorteilhaft beispielsweise durch ein Justierblech abgeglichen werden müssen. Beim erfin­ dungsgemäßen Mikroschalter ist der Schaltabstand durch Ver­ schieben des IC in Richtung des Auslöseteils und durch zu­ sätzliches Verschieben eines im Bereich eines der Hall-Senso­ ren angebrachten Justierblechs auf einfache Weise innerhalb gewünschter Toleranzen justierbar. Die Induktion wird beim betreffenden Hall-Sensor jedoch nicht in den Maximalbereich verschoben, sondern es wird lediglich seine Vorspannung ver­ größert.

Claims (8)

1. Schalter mit einem Hall-Differenz-IC (4), der mindestens zwei nebeneinander angeordnete Hall-Sensoren (1, 2) und min­ destens eine Auswerteschaltung (3) aufweist, sowie mit einem fest unterhalb der beiden Hall-Sensoren (1, 2) angeordneten Dauermagneten (5), der mit einem Pol den beiden Hall-Sensoren (1, 2) zugewandt ist, und dessen Feldlinien die Hall-Sensoren (1, 2) durchsetzen, wobei eine Magnetflußdifferenz zwischen den beiden Hall-Sensoren (1, 2) über die Auswerteschaltung (3) ermittelt und aus einer Änderung dieser Differenz bei An­ näherung eines ferromagnetischen Auslöseteils (8) ein Schalt­ signal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor-Achse des IC (4) gegenüber der aktiven Fläche (11) des Schalters, an die das Auslöseteil (8) angenähert wird, schräg angeordnet ist, und daß eine bei Annäherung des Auslöseteils (8) an denjenigen Hall-Sensor (2), der durch die schräge Anordnung einen geringeren Abstand zur aktiven Fläche (11) als der andere Hall-Sensor (1) aufweist, entstehende Ma­ gnetflußdifferenz als Einschaltzustand des Schalters ausge­ wertet wird.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine den Dauermagneten (5), den IC (4) und ein zwischenliegendes Polplättchen (6) umfassende Anordnung schräg in einem Isolierstoffgehäuse (7) befestigt ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der IC (4) einen Winkel von etwa 30° zur aktiven Fläche (11) des Schalters bildet.

4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Isolierstoffgehäuse (7) ei­ ne Stanzplatine (10) eingebettet ist, deren erste Enden mit den Anschlüssen des IC (4) verbunden sind und deren zweite En­ den als Anschlußelemente aus dem Isolierstoffgehäuse (7) vor­ stehen.

5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der IC (4) unbehäust auf die Stanzplatine (10) ge­ bondet ist und daß das Polplättchen (6) durch eine Eisen-Plat­ tierung an der dem Dauermagneten (5) zugewandten Seite der Stanzplatine (10) ersetzt ist.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroschalter am Schließkeil (12) des Türschlosses einer Kraftfahrzeugtür befestigt ist, daß der Auslösekörper (8) durch die zugehörige Drehfalle (14) des Türschlosses gebildet ist, deren Endraststellung durch den Mikroschalter abfragbar ist.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drehfalle (14) mit einem Auslösezahn (15) ver­ sehen ist.

8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltabstand des Mikroschal­ ters durch Verschieben des IC (4) in Richtung des Auslösekör­ pers (8) und durch zusätzliches Verschieben eines im Bereich eines der Hall-Sensoren (1, 2) angebrachten Justierblechs in­ nerhalb gewünschter Toleranzen justierbar ist.