CH657949A5 - Magnetischer annaeherungsschalter. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Annäherungsschalter gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Ein magnetisch-elektrischer Wandler, bei dem die Ausgangsspannung in Abhängigkeit eines Magnetfeldes ändert, wurde üblicherweise bei Messinstrumenten und ferner zum Ablesen von magnetischen Skalen und magnetischen Fixierungen in Frequenzgeneratoren zur Steuerung einer Motordrehzahl oder für berührungsfreie Schalter benützt.

Für einen solchen magnetisch-elektrischen Wandler kann das ferromagnetische Widerstandselement verwendet werden, das auf dem Magnetfühlerprinzip basiert, bei dem der ferromagnetische Widerstand von ferromagnetischem Metall und eines Halbleitermagnetwiederstandselementes oder Hall-EIemen-

tes, das auf dem Magnetsensorprinzip beruht, benützt ist. Üblicherweise wurde für diesen magnet-elektrischen Wandler das Halbleitermagnetwiderstandselement und das Hall-Element verwendet.

Der ferromagnetische Widerstandseffekt von ferromagnetischem Metall kann grundsätzlich in zwei verschiedene Effekte unterteilt werden. Der erste Effekt ist eine Widerstandsänderung, die mit einer Änderung in spontaner Magnetisierung infolge eines externen magnetischen Feldes ändert und durch die Mott-Theorie erläutert ist. Allgemein gesehen ist dieser Effekt ein negativer Magnetwiderstandseffekt, so dass, wenn das magnetische Feld vergrössert wird, der Widerstand linear abnimmt und isotrop bezüglich der Richtung des Magnetfeldes ist. Weil dieser Effekt in der Nähe des Curie-Punktes vergrössert wird, wo die spontane Magnetisierung verstärkt wird, kann dieser unberücksichtigt gelassen werden, wenn nicht ein grosses magnetisches Feld darauf einwirkt.

Auch der genannte zweite Effekt, der in einem relativ schwachen Magnetfeld festgestellt wurde, ist ein solcher, bei dem der Widerstand anisotrop mit dem Winkel zwischen der Magnetisierrichtung und der Stromrichtung ändert. Dieser Effekt ist so gross im Temperaturbereich, wo die spontane Magnetisierung mit der Temperatur ändert und gegen den Curie-Punkt hin geringer wird. Im allgemeinen gesehen hat der Widerstand von ferromagnetischem Metall einen grössten Wert, wenn die Stromrichtung parallel zur Magnetrichtung liegt und ein Minimum, wenn diese beiden Richtungen orthogonal sind. Dies wird durch die folgende Gleichung dargestellt:

Gleichung I:

2 2

R(0) = Ri_ sin 0 + Rj/ cos 0

Diese Gleichung 1 wird als Viogt-Thomson-Gleichung bezeichnet. In dieser Gleichung 1 bezeichnet 0 einen Winkel zwischen dem Strom und gesättigter Magnetisierung. R -L den Widerstand, wenn der Strom orthogonal zur gesättigten Magnetisierung liegt und R^ den Widerstand, wenn der Strom parallel zur gesättigten Magnetisierung verläuft. Ein magnetisches Widerstandselement aus ferromagnetischem Metall, bei dem dieser zweite Effekt benützt ist, wurde schon verwendet. Als ferromagnetische Metalle mit diesem ferromagnetischen Widerstandseffekt sind NiCo-Legierungen, NiFe-Legierungen, NiAl-Legierun-gen, NiMn-Legierungen oder NiZn-Legierungen bekannt.

Fig. 1 zeigt das Prinzip einer herkömmlichen Ausführungsform eines magnetischen Schalters, bei dem das magnetische Widerstandselement 10 diesen ferromagnetischen Widerstandseffekt benützt. In der herkömmlichen Ausführungsform gemäss Fig. 1 besitzt das magnetische Widerstandselement 10 einen ersten elektrischen Leiter 1 und einen zweiten elektrischen Leiter 2 aus ferromagnetischem Metall, die in Serie geschaltet sind und an beiden Enden auf Anschlüsse 3, 4 für einen Brückenstrom angeschlossen sind, und der Mittelpunkt der Verbindung ist mit einem Ausgangsanschluss 5 verbunden, so dass ein magnetisches Widerstandselement mit 3 Anschlüssen gebildet ist. Dabei stehen der erste Leiter 1 und der zweite Leiter 2 senkrecht aufeinander und das sättigende Magnetfeld HB, das durch einen Magnet 6 erzeugt wird, der starr mit dem magnetischen Widerstandselement 10 verbunden ist, kreuzt somit den Leiter 1 orthogonal und liegt parallel zum zweiten Leiter 2.

Das magnetische Widerstandselement 10 wird relativi zu einem magnetischen permeablen Stab 7 bewegt, der aus magnetisch permeablem Material, das zu detektieren ist, besteht und Änderungen in Richting des Magnetfeldes Hb im entsprechenden Leiter feststellt, die durch die Annäherung des magnetper-meablen Stabes 7 bewirkt werden.

Das magnetische Widerstandselement ist mit externen Widerständen 11, 12 zwischen den Anschlüssen 3, 4 verbunden,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

657 949

um eine Widerstandsbrücke zu bilden, der ein Ruhestrom aus einer Stromquelle zugeführt wird. Die Diagonalspannung zwischen dem Ausgangsanschluss 5 des magnetischen Widerstandselementes und dem Ausgangsanschluss 13 am Mittelpunkt der Verbindung zwischen den externen Widerständen 11, 12 wird einem Differenzverstärker 15, der aus einem Operationsverstärker 14 besteht, zugeführt.

In einem derartigen Magnetschalter wird der magnetisch permeable Stab 7 durch das Magnetfeld Hb magnetisiert, wenn dieser Stab gegen das Magnetwiderstandselement 10 bewegt wird, so dass ein Magnetfeld in orthogonaler Richtung zum vormagnetisierenden Magnetfeld Hb entsteht, um ein Wirkmagnetfeld in Richtung des Pfeils bei den entsprechenden Leitern 1, 2 des magnetischen Widerstandselementes 10 zu erzeugen. Somit haben die Leiter 1, 2 Widerstandscharakteristiken entsprechend der Gleichung 1 in bezug auf die Richtungsänderung eines gegebenen Magnetfeldes, um die Brückenausgangsspannung A V gemäss der folgenden Gleichung zwischen den Ausgangsanschlüssen 5, 13 zu erzeugen:

Gleichung 2

Av = KVq cos2A0

Wenn in dieser herkömmlichen Ausführungsform die Richtung des vormagnetisierenden Magnetfeldes Hb derart angeordnet ist, dass 0 = 90° in Gleichung 2 wird und die Richtungsänderung des Magnetfeldes durch Annäherung des magnetisch permeablen Stabes 2 gegen ±15° bezüglich 0 = 90° wird und wenn die Schaltwelle auf etwa 1/3 des Ausgangssignals gestellt ist, werden ungefähr + 10° Änderung in Richtung des Magnetfeldes bei © = 90° detektiert, um die Schaltoperation zu bewirken. Die Ausgangsspannung A V gemäss der Gleichung 2 wird innerhalb des durch eine ausgezogene Linie dargestellten Bereichs in der sonst mit unterbrochener Linie dargestellten Kurve in Fig. 2 benützt. Der herkömmliche magnetische Annäherungsschalter mit einer derartigen Charakteristik hat eine Temperaturabhängigkeit von 100-200 mV/10°C, wenn die Temperaturcharakteristik bezüglich der Ausgangsspannung A V in der Nachbarschaft des Schaltpunktes gemessen wird.

Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, den Änderungsbetrag der Ausgangsspannung in bezug auf die Richtungsänderung des Magnetfeldes infolge der Annäherung des magnetischen permeablen Stabes zu vergrössern, um die Empfindlichkeit zu verbessern, während die Änderung bezüglich der Ausgangsspannung infolge Temperaturänderungen vermindert werden soll, d.h. die Temperaturunabhängigkeit der Ausgangsspannung zwecks Bildung eines magnetischen Annäherungsschalters mit einem neuen Aufbau.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer älteren Ausführungsart eines magnetischen Annäherungsschalters,

Fig. 2 eine Kennlinie zur Darstellung der Betriebsdaten dieser älteren Ausführungsform,

Fig. 3 eine schematische Zeichnung zur Darstellung des

Prinzips des Aufbaus eines magnetischen Annäherungsschalters nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Kennlinie der Betriebseigenschaften dieser Ausführungsform,

5 Fig. 5 eine schematische Zeichnung zur Darstellung einer praktischen Ausführungsform für die Leiter des Magnetwiderstandselementes in dieser Ausführungsform,

Fig. 6 eine schematische Zeichnung zur Darstellung des Prinzips einer zweiten Ausführungsform des magnetischen An-lo näherungsschalters nach der Erfindung,

Fig. 7 eine Kennlinie zur Darstellung der Betriebseigenschaften dieser zweiten Ausführungsform,

Fig. 8 eine schematische Zeichnung zur Darstellung einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 15 und

Fig. 9 eine Schnittansicht zur Darstellung der wichtigsten Partien eines gemäss dieser letzten Ausführungsform hergestellten magnetischen Annäherungsschalters.

Die schematische Zeichnung zur Darstellung des Prinzips 20 des magnetischen Annäherungsschalters gemäss der Erfindung in Fig. 3 zeigt ein magnetisches Widerstandselement 20 mit einem ersten elektrischen Leiter 21 und einem zweiten elektrischen Leiter 22 aus gerade angeordnetem ferromagnetischem Widerstandsmaterial, die beide in Reihe geschaltet sind und an 25 beiden Enden mit Anschlüssen 23, 24 verbunden sind, und bei denen der Mittelpunkt der Verbindung mit einem Ausgangsanschluss 25 verbunden ist, um so einen magnetischen Annäherungsschalter mit drei Anschlüssen zu bilden. Eine Stromquelle 26 zur Erzeugung eines Ruhestromes ist mit den Anschlüssen 3o 23, 24 des magnetischen Widerstandselementes 22 verbunden, um einen Ruhestrom Ib zu erzeugen. Ein vormagnetisierendes Magnetfeld HB, dessen Richtung einen Winkel ©o zum Ruhestrom Ib einschliesst, wird auf die entsprechenden elektrischen Leitungen 21, 22 des magnetischen Widerstandselementes 20 35 durch einen Magneten 30 angelegt.

Wenn die Richtung des vormagnetisierenden Magnetfeldes Hb in den entsprechenden elektrischen Leitungen 21, 22 um einen geringen Winkel ± A© infolge der Annäherung eines magnetisch permeablen Stabes 28 geändert wird, kann der Wider-4o standswert Ra im ersten elektrischen Leiter 21 durch die Gleichung 3 dargestellt werden:

Gleichung 3

R.

„ (AQ) = RJ_sin2(0o + A0) + cos2(o0 +A0 )

wobei Vo die Spannung zwischen den Anschlüssen 23, 24 des magnetischen Widerstandselementes 20 und V(A©) die Ausgangsspannung zwischen dem Ausgangsanschluss 25 und dem erdseitigen Anschluss 24 sind. Dies in Übereinstimmung mit der so genannten Voigt-Thomson-Gleichung 1. Der Widerstandswert Rb für den zweiten elektrischen Leiter 22 wird dann durch die folgende Gleichung dargestellt:

Gleichung 4

55 Rb(A0) = Rj_ sin2(0fl - A0) + cos2(0o - A0)

Somit kann die Ausgangsspannung V(A©) durch die folgende Gleichung dargestellt werden:

Gleichung 5

V(A 0)

Rb(A0)

V,

Ra(A0) + Rß(A0)

Vrt =

I (Rx - R/zOsinZAO

- - — V

2CRJ.+ R//) 0

Im magnetischen Annäherungsschalter mit dem magnetischen Widerstandselement 20 kann die Ausgangsspannung AV durch die folgende Gleichung dargestellt werden:

657 949

4

Gleichung 6

AV = KjVßSin 2A0

Damit wird die Ausgangsspannung A V-Detektion mit der Referenzspannung Vo/2 mit einer Brückenschaltung ähnlich der herkömmlichen Ausführungsform erhalten. Diese Ausgangsspannung AV ist in der Kennlinie gemäss Fig. 4 durch die ausgezogene Linie dargestellt und hat im Prinzip keine Temperaturdrift und immer noch ein hohes Änderungsmass bezüglich A0 wenn 0 = 45° und A0 = 0 ist, so dass das Schalten mit hoher Empfindlichkeit und Stabilität durchgeführt wird, wenn der Arbeitspunkt für das Schalten beim Punkt Pi in Fig. 4 angesetzt wird.

Ein magnetischer Annäherungsschalter mit diesem Aufbau ist in Fig. 5 beispielsweise dargestellt und besteht aus einem Vormagnetisierungsmagneten 50 und einem magnetischen Widerstandselement 40, auf dem mäanderförmige elektrische Leiter 41, 42 angeordnet sind, die einen Winkel von 45° zum Magnetfeld Hb des vormagnetisierenden Magneten 50 einschlies-sen. Das magnetische Widerstandselement 40 auf dem vormagnetisierenden Magneten 50 ist in einem Gehäuse 51 eingebaut und mittels eines Verbindungskabels 52, das mit den Anschlüssen 43, 44, 45 angeschlossen ist, mit den äusseren elektrischen Geräten, wie Stromquelle und Detektorkreis, verbunden. Einerseits des vormagnetisierenden Magneten 50 befindet sich ein Magnetjoch 53 parallel zum magnetisch permeablen Stab 48 eines zu detektierenden Gliedes, um dadurch die Empfindlichkeit der Richtungsänderung im vormagnetisierenden Magnetfeld Hb infolge der Annäherung des magnetischen permeablen Stabes 48 zu verbessern.

Beim magnetischen Annäherungsschalter mit diesem Aufbau wird die Ausgangsspannung AV(0) des Magnetwieder-standselementes 40 infolge der Annäherung des magnetischen permeablen Stabes 48 vom Referenzpunkt vom 0 = 45° auf der Kennlinie gemäss Fig. 4 erhalten, wobei die Empfindlichkeit verbessert wird während die Temperaturdrift vermindert ist, derart, dass die Detektion mit hoher Empfindlichkeit und Stabilität durchgeführt werden kann. Dieser Effekt kann auch erhalten werden, wenn die Richtung des vormagnetisierenden Magnetfeldes gegenüber dem Ruhestrom wenigstens nahe beim Winkel 0 = 45° liegt.

Eine verbesserte Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt, 5 bei der der Arbeitspunkt des Annäherungsschalters derart eingestellt werden kann, dass eine maximale Empfindlichkeit bei Temperaturdrift = 0 erhalten werden kann.

In Fig. 6 weist das magnetische Widerstandselement 120 einen ersten elektrischen Leiter 121 und einen zweiten elektri-10 sehen Leiter 122 auf, die beide aus ferromagnetischem Widerstandsmaterial bestehen und in Serie geschaltet sind und beidseitig an Anschlüsse 123, 124 angeschlossen sind, und der Mittelpunkt der Verbindung ist mit einem Ausgangsanschluss 125 verbunden, wodurch das schon beschriebene Magnetwider-15 standselement mit drei Anschlüssen gebildet wird. Eine Stromquelle 126 ist an die Anschlüsse 123, 124 des genannten Magnetwiderstandselementes 120 angeschlossen und ein Ruhestrom Ib wird durch diese Stromquelle 126 geliefert. In den entsprechenden elektrischen Leitern 121, 122 des magnetischen Wider-20 standselementes 120 ergeben sich bei einer Änderung der Richtungen der vormagnetisierenden Magnetfelder Hbi, Hg2 um die Änderungswinkel ± A0 zur Richtung des Ruhestromes Ib, infolge der Annäherung eines magnetischen permeablen Stabes 128 eine Änderung des vormagnetisierenden Magnetfeldes HBi, 25 das auf einen frei wählbaren Winkel ©o einstellbar ist, + den kleinen Auslenkwinkel A©c d.h. 0O+ A0c, das auf den ersten elektrischen Leiter 121 einwirkt, und das vormagnetisierende Magnetfeld HB2 in Richtung von ©o - A©c wirkt auf den zweiten elektrischen Leiter 122 ein.

30

Angenommen, dass der Winkel 0o = 45° beträgt und die Spannung über den beiden Anschlüssen 123, 124 des magnetischen Widerstandselementes 120 durch die Stromquelle 126 Vo beträgt, dann ist die Ausgangsspannung V(A0) zwischen dem 3s Ausgangsanschluss 125 und dem erdseitigen Anschluss 124 wie folgt: Im ersten elektrischen Leiter 122 wird gemäss der genannten Voigt-Thomson-Gleichung 1 ein Widerstandswert Ra gebildet, der durch die folgende Gleichung dargestellt werden kann:

Gleichung 7

RaCA0)

Rj_ sin2 (45° - A0C + A0) + R//Cos2(45° - a0q + A0)

Gleichung 8

RB(A0)

45 und ähnlich wird auch im zweiten elektrischen Leiter 122 ein Widerstandswert Rb durch die folgende Gleichung gebildet:

= Rx sin2(45° + A0C - A0) + R,, cos2(45° + A0C - A0)

Somit ist die Ausgangsspannung V(A0) durch die folgende Gleichung bestimmt:

Gleichung 9

V(A0) =

RgCAG)

RA(A0) + Rß(A0)

V0 =

Vq (R_l - R//) sin2 (A0ç- A0)

2(Rj_ + R//)

V,

f,o Im magnetischen Annäherungsschalter mit dem magnetischen Widerstandselement 120 ergibt sich somit die Ausgangsspannung AV nach der nachfolgenden Gleichung:

Gleichung 10

AV = KlV0 sin2(A0C - A0)

indem als Ausgangsspannung AV die Brückenspannung mit der Referenzspannung V0/2 mittels eines Brückenkreises detek-

5

657 949

tiert wird. Die Ausgangsspannung A V ist in Fig. 7 mit einer ausgezogenen Linie dargestellt. Indem die Temperaturdrift beim Arbeitspunkt P2 null ist und die Steilheit bezüglich A© am grössten ist, wenn ©o auf 45° und A©c - A0 = 0° gesetzt werden, kann das Schalten gemäss diesem Beispiel mit hoher Empfindlichkeit und Stabilität gesteuert werden.

Weil in dieser Ausführungsform die Richtungen des Ruhestromes Ib durch die entsprechenden Leiter 121, 122 miteinander koinzidieren und die Richtungen des vormagnetisierenden Magnetfeldes HBi, Hb2 unter Winkeln von 45° ± A©c zu den Richtungen des Ruhestromes Ib liegen, können die entsprechenden Leitungen 141, 142 einen Winkel zueinander einschliessen, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, damit die Richtungen des vormagnetisierenden Magnetfeldes Hbi, HB2 miteinander koinzidieren, um ähnliche Betriebsarten zu erhalten. Wenn die vormagnetisierenden Magnetfelder Hbi, Hb2 derart angeordnet sind, dass ihre Richtungen miteinander koinzidieren, wie dies auch in Fig. 9 dargestellt ist, können die vormagnetisierenden Magnetfelder Hbi, Hb2 mittels eines einzigen Magneten 140 zur Wirkung auf die Leiter 131, 132 gebracht werden, so dass der gesamte Aufbau einfacher wird. In Fig. 9 befindet sich ein Magnetwiderstandselement 130 auf dem Magnet 140, das in ein 5 Gehäuse 141 eingebaut ist und mit den aussenliegenden Vorrichtungen, wie Spannungsquelle und Detektorkreis durch ein Kabel 142 verbunden ist, dessen Anschlussenden an den Anschlüssen 133, 134, 135 angeschlossen sind. Der Magnet 140 ist auf einer Seite mit einem Magnetjoch 143 parallel zum magne-10 tisch permeablen Stab 138, der zu detektieren ist, versehen.

In dieser Ausführungsform sind die vormagnetisierenden Magnetfelder HBi, HB2 und der Ruhestrom Ib in der Richtung von 0 = 45° ± A ©angeordnet, wobei 0 = 45° einen idealen Winkel darstellt, wo die Temperaturdrift der Ausgangsspan-15 nung A V null wird. Die Temperaturdrift kann in jedem Fall verkleinert werden und die Steilheit der Kennlinie der Ausgangsspannung AV in bezug auf A© kann verbessert werden, auch wenn ©o nicht = 45° ist.

v

3 Blätter Zeichnungen

Claims (7)

657 949

1. Magnetischer Annäherungsschalter, gekennzeichnet durch einen Sensorteil mit einem drei Anschlüsse (23, 24, 25; 123, 124, 125; 133, 134, 135) aufweisenden magnetischen Widerstandselement (20, 120, 130), das in Reihe miteinander verbundene elektrische Leitungen (21, 22; 121, 122; 141, 142) aus ferromagnetischem Widerstandsmaterial trägt, von denen der Verbindungsmittelpunkt mit einem der drei genannten Anschlüsse (25, 125, 145) verbunden ist, durch eine Stromquelle (26, 126) zur Abgabe eines Ruhestromes an die genannten Leitungen und ein vorgmagnetisierendes Magnetfeld (Hbi, Hb2) unter einem Winkel ©o zur Richtung des Ruhestromes durch jede Leitung (21, 22; 121, 122; 141, 142) des genannten magnetischen Widerstandselementes (20, 120), um die Annäherung eines magnetisch permeablen Materials (28, 128, 138) mittels einer Widerstandsänderung in jeder Leitung in Abhängigkeit einer Winkelauslenkung ± £,© der Richtung des vormagnetisie-renden Magnetfeldes festzustellen.

2. Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung jeder elektrischen Leitung (21, 22; 121, 122; 141, 142) des magnetischen Widerstandselementes (20, 120, 130) derart ist, dass der Ruhestrom in jedem Leiter dieselbe Richtung hat.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Schalter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung jeder elektrischen Leitung (21, 22; 121, 122; 141, 142) und die Richtung des vormagnetisierenden Magnetfeldes (HBi, HB2) derart sind, dass die Richtung des Ruhestromes durch die eine Leitung (21, 121, 141) einen bestimmten Winkel 0o plus eine Winkelauslenkung AQc zur Richtung des vormagnetisierenden Magnetfeldes (Hbi) aufweist und dass die Richtung des Ruhestromes durch eine andere elektrische Leitung (22, 122, 142) einen Winkel ©o minus eine Winkelauslenkung Ä©c zur Richtung des vormagnetisierenden Magnetfeldes (HB2) aufweist.

4. Schalter nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung von jeder elektrischen Leitung des magnetischen Widerstandselementes (20, 120, 130) derart ist, dass der Ruhestrom in jeder Leitung in gleicher Richtung fliesst.

5. Schalter nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des vormagnetisierenden Magnetfeldes (Hbi, Hbî), das auf jede elektrische Leitung (21, 22, 121, 122, 141, 142) wirkt, durch einen Magneten (30, 50, 140) festgelegt ist.

6. Schalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel ©o = 45° beträgt.

7. Schalter nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter mäanderför-mig angeordnet sind, und dass die Schleifen eine längere Seite in Richtung des Ruhestromes haben.