阅读说明：本技术 感应式的接近开关 (Inductive proximity switch ) 是由 阿乔伊·帕利特 于 2018-06-20 设计创作，主要内容包括：二进制的接近开关(100、200、600),其包括：频率发生器(120),其用于提供交变电压；与交变电压连接的线圈(115),其用于产生交变磁场；影响元件(110),该影响元件能相对于线圈(115)运动地被安装并被设立成用于依赖于其与线圈(115)的距离地以不同程度来影响交变磁场；整流器(130),其用于对施加于线圈(115)的交变电压进行整流；比较器(135),其用于确定整流电压是否高于预先确定的阈值(525、530)；以及接口(160),其用于提供表明确定结果的二进制的信号。(A binary proximity switch (100, 200, 600) comprising: a frequency generator (120) for providing an alternating voltage; a coil (115) connected to an alternating voltage for generating an alternating magnetic field; an influencing element (110) which is mounted so as to be movable relative to the coil (115) and is designed to influence the alternating magnetic field to different extents as a function of its distance from the coil (115); a rectifier (130) for rectifying an alternating voltage applied to the coil (115); a comparator (135) for determining whether the rectified voltage is above a predetermined threshold (525, 530); and an interface (160) for providing a binary signal indicative of the determination.)

感应式的接近开关

技术领域

本发明涉及感应式的定位确定。本发明尤其是涉及对机动车辆的车载装置的相对定位的确定。

背景技术

在机动车辆上设置有选择杆用来影响在传动装置中被挂入的挡级。通过驾驶员可以将选择杆带入不同的定位中，其中，选择杆可以在滑槽中受引导。在此，对选择杆的定位进行扫描并以电或电子方式进行处理。然后，控制装置可以基于由选择杆的定位表达的驾驶员意愿来控制传动装置。

可以通过如下方式来扫描选择杆的定位，即，在选择杆上安装永磁体并在支架上安装多个被整合的霍尔传感器，这些霍尔传感器检测永磁体的磁场。然而，磁体和传感器相对成本较高。如果应当让选择杆能够占据更多个能被各个确定的定位，则这样的布置可能不具经济效益。

DE 10 2015 200 620 A1涉及一种感应式的接近开关，其用于借助安装在支架上的多个线圈和安装在选择杆上的铁磁性的且不导电的定位元件来确定选择杆的定位。

发明内容

本发明的任务是提供一种改进的用于感应式定位确定的设备。本发明借助具有独立权利要求的特征的设备来解决。从属权利要求反映了优选的实施方式。

二进制的接近开关包括：频率发生器，其用于提供交变电压；与交变电压连接的线圈，其用于产生交变磁场；影响元件，该影响元件能相对于线圈运动地被安装并且被设立成用于依赖于其与线圈的距离地以不同程度来影响交变磁场；整流器，其用于对施加于线圈的交变电压进行整流；比较器，其用于确定经整流的电压是否高于预先确定的阈值；以及接口，其用于提供表明确定结果的二进制的信号。

二进制的接近开关可以借助标准构件来廉价地构建。对影响元件的定位确定可以通过接近开关的二进制的设计方案被可靠地确定。基于接近开关，可以可靠地控制用于控制安全相关过程的操作元件，例如控制用于机动车辆的传动系中的传动装置的传动级的选择杆。

线圈优选构造为扁平线圈。在此，扁平线圈尤其是可以被印刷电路所包括。尽管扁平线圈只能提供较小的磁场，但所述电路仍能具有足够良好的选择性，用以区分影响元件的“接近”定位与“离开”定位。经印刷的扁平线圈可以廉价地设置在印刷电路板上。线圈的这种结构形式可以是特别廉价的，从而也能廉价地设置大量扁平线圈。

在扁平线圈的情况下还优选的是，影响元件也是扁平的，从而可以使其尽量接近扁平线圈地被安置。由此，可以使对扁平线圈的交变磁场的影响最大化。对于影响元件的形状来说，能想到不同的实施方式。一般优选的是，影响元件可以覆盖与扁平线圈的表面至少等大的表面。

在第一变型方案中，影响元件包括电导体，以便通过形成涡流从交变磁场中提取能量。在这种实施方式中，当影响元件接近线圈时，经整流的电压将降低。电导体可以廉价地且坚固地实施。例如，导体可以包括铜或其他导电良好的材料。

在另一变型方案中，影响元件包括软磁性的且电绝缘的材料，以便尤其是局部放大交变磁场。在本发明的意义上，局部意味着在距线圈的预先确定的距离之内。在这种实施方式中，当影响元件接近线圈时，经整流的电压将增高。在这种实施方式中，当影响元件接近线圈时，经整流的电压的变化可能比上述变型方案中将电导体用作衰减元件的情况更大。软磁性的材料可以例如包括铁素体。相对磁导率可以约为10000或以上。电导率优选小于10^-10S/m。

接近开关还可以包括放大器，以便将经整流的电压于放大之后提供给比较器。放大器尤其可以廉价地实施为被整合的运算放大器。在此，运算放大器可以采用公知方式来反馈地运行，以便实现预先确定的放大系数。在另外的实施方式中，比较器同样构造为运算放大器。通过反馈，使得比较器可以执行滞后的比较。滞后量可以通过选择反馈电阻器来调整。多个运算放大器可以廉价地设置在共同的壳体中。

整流器特别优选地包括肖特基二极管。肖特基二极管不具有p-n结，而具有金属-半导体结。因此，在不同实施方式中，使二极管导通的阈限电压可以极小，约为0.4V至约0.1V或甚至更低。由此，施加于线圈的电压可以特别灵敏并几乎无损地被整流。

进一步优选地，设置有低通滤波器，以用于对经整流的电压整平滑。低通滤波器同样可以廉价且分立地被构建为RC环节。

进一步优选地，设置了具有另外的接口的处理装置，其中，该处理装置被设立成用于经由另外的接口获知二进制的信号。该另外的接口可以例如引导向数据总线，诸如CAN总线。可以借助处理装置将一个或多个接近开关的一个或多个二进制的信号相结合。例如可以经由另外的接口提供相结合的结果作为数据电报。在相结合的范围内，也可以例如进行错误探测或错误修正并在必要时评估冗余的信息。

在另外的实施方式中，比较器包括模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)和数字化的比较装置。ADC可以扫描经整流的并在必要时是经整平滑的电压，以便能够实现与预先确定的阈值的比较。通过使用多个阈值可以轻松实现滞后。也可以设置附加的阈值，通过经整流的电压所导致的高于或低于这些阈值可以标明错误状态。例如，如果经整流的电压降至零，则线圈区域中可能存在短路。如果经整流的电压持续超过高的阈值，则可能存在相对电源电压的短路。

优选设置有多个线圈，其分别具有配属的整流器、比较器和接口，其中，影响元件能沿曲线运动。在此，影响元件可以经过线圈，从而使接口处的二进制的信号表明了定位元件沿曲线的定位。因此，可以简单且有效地提供用于扫描操作元件的定位的设备。影响元件可以安装在操作元件上，并且线圈可以例如安装在支架上。曲线可以任意地成形，例如成形为直线、圆弧或由多个几何上的曲线段构成的组合。

上述处理装置可以包括比较装置。另外，可以设置有多路复用器，该多路复用器被设立成用于将多个线圈的经整流的电压依次与模数转换器连接。处理装置可以例如实施为整合的微型计算机或微型控制器，其中，处理装置可能已经包括模数转换器。多路复用器可以在内或在外地设置。通过多次使用模数转换器，可以减少构件的总数。模数转换的优点是尽管如此仍能充分用于多个线圈。

附图说明

现将参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出一种实施方式中的用于确定能运动的元件的定位的设备；

图2示出用于二进制的接近开关的示例性的电路，其被设立成用于如图1所示的设备中；

图3示出线圈的电感与影响元件的距离之间的示例性的关系；

图4示出用于图1中的设备的线圈和能运动的元件的不同实施方式；

图5示出图2中的电路上的示例性的电压；以及

图6示出另一种实施方式中的用于确定能运动的元件的定位的设备。

具体实施方式

图1示出用于确定能运动的元件的定位的设备100的第一实施方式。设备100尤其可以用于形成选择杆或其他输入设备。可以手动地使能运动的元件沿预先确定的曲线105相对于其他元件运动。设备100包括可以安装在能运动的元件上的影响元件110以及可以安装在固定不动的元件上的一个或多个线圈115。在此，线圈115优选地沿曲线105如下这样地安装，即，使得影响元件110沿曲线105尽量接近地从各个线圈115旁边运动经过。

线圈115尤其可以实现为印刷电路中的扁平线圈。在此，线圈115可以分别为单层或多层的。这种线圈115的常规尺寸在每层的印刷电路12匝的情况下约为6×6mm。各层典型地上下约70μm地相叠，并且厚约35μm。在两层的结构的情况下，这种线圈115的不受影响的电感可以约为1400nH。

影响元件110可以沿曲线105优选地被带到一个线圈115的端侧上。在此，进一步优选地，影响元件110大到足以完全覆盖线圈115。与线圈115的距离尽量最小。在扁平线圈的情况下，该距离可以例如为约0.3mm至约0.45mm。更大的距离也是可以容忍的，以便例如考虑到该布置的保持设备的老化效应。例如，影响元件110的竖直的距离可以至多为约0.7mm。实践中，可以任意选择影响元件110的形状。在所示的实施方式中，线圈115和影响元件110呈矩形或呈方形地成形。在另外的优选实施方式中，影响元件110具有菱形的形状，如通过虚线所指明的那样。在呈菱形的影响元件110完全覆盖其中一个线圈115期间，相邻的线圈115被菱形的尖端部分覆盖。由此可以便于确定影响元件110沿曲线105从一个线圈115到下一个线圈的过渡。

频率发生器120提供交变电压，在本实施方式中，借助电阻器125将该交变电压分配给各个线圈115。在另一种实施方式中，线圈115也可以配属有专用的频率发生器120。交变电压的频率通常约为10至15MHz。

依赖于交变电压地，每个线圈115上形成交变磁场。如果影响元件110接近线圈115，则线圈115的电感发生变化。如果影响元件110是能导电的衰减元件，则当影响元件110接近时，线圈115的电感降低。相反，如果影响元件110是优选软磁性且电绝缘的放大元件，则当影响元件110接近时，线圈115区域中的磁场尤其被局部放大，使得线圈115的电感增高。

因此，在衰减元件110接近时，使线圈115上的交变电压降低，而在放大元件110接近时，交变电压则增高。借助所配属的整流器130对线圈115的交变电压进行整流，并且借助比较器135将经整流的电压与预先确定的阈值进行比较。比较器135与第一接口140连接，当经整流的电压高于阈值时，可以在第一接口处输出第一二进制的信号，而当其低于阈值时，可以在该第一接口处可以输出第二二进制的信号。比较器135可以以任意方式来构建，例如借助运算放大器来构建，或借助晶体管电路来分立地构建。在所示的实施方式中，比较器135由模数转换器145结合处理装置150形成。处理装置150可以包括可编程的微型计算机或微型控制器。模数转换器145可以被包括在处理装置150中。

在所示的具有多个线圈115的实施方式中，可以设置有多个模数转换器145，或者可以借助多路复用器155将模数转换器145与多个整流器130中的一个连接起来。由此能够借助模数转换器145依次确定所有线圈115上的经整流的电压。然后，借助处理装置150将所提供的数字式的结果与代表阈值的预先确定的值进行比较。

配属于线圈115的专用比较器135可以借助第二接口160提供二进制的确定结果。第二接口160可以被引导到处理装置150上，并被该处理装置进一步处理。在本实施方式中，第二接口160与第一接口140相一致，这是因为比较器135被处理装置150包括。

图2示出了用于实现二进制的接近开关200的示例性的电路，该电路优选被设立成用于如图1所示的设备100中。所示的实施方式示出了仅具有一个线圈115而不具有处理装置150的设备100的示范性的可行方案。

如图1中的实施方式，频率发生器120借助电阻器125与线圈115连接，该线圈的第二接口借助另外的电阻器205被引导接地。在此，整流器130基本上由肖特基二极管210形成，该肖特基二极管可以例如是BAT54型。借助可选的去耦电阻器215，使得线圈115的经肖特基二极管210整流的电压被传导到可选的整平滑电容器220以及经由由两个电阻器225、230构成的分压器被传导到另外的电容器235上。分压器可以与电容器235共同形成低通滤波器。

可选的放大器240放大了经整流的电压并将其提供给比较器135。放大器240可以借助诸如LM321型的运算放大器形成为常规的同相放大器。可以以公知的方式借助两个电阻器245、250来调整放大系数。在本例中，运算放大器范性地由通常约为5.0V的电压源255来运行。运算放大器的输出端借助可选的电容器260相对接地被整平滑。

借助可选的电阻器265进行放大器240与比较器135的耦合。这里，由例如LM2901型的运算放大器形成比较器135。在反相的输入端处存在可以以公知方式借助具有电阻器270和275的分压器相对于电压源255来调整的电压。输入信号被引导到同相的输入端上。在替选的实施方式中，两个输入端也可以互换。可选地，可以借助电容器280相对电源电压进行整平滑。比较器135的输出端可以借助另外的电阻器285和/或另外的电容器290来进行稳定化。比较器135的输出端被引导到第二接口160上。

图3示出了线圈115的电感与影响元件110的距离之间的示例性的关系。在水平方向上绘制了沿曲线105的距离，而在竖直的方向上绘制了线圈115的电感。

第一变化曲线305显示了，当构造为衰减元件的影响元件110接近线圈115时，电感如何从标称值下降。在距离最小的情况下，电感可以下降最大约20％至30％。第二变化曲线310显示了，当构造为放大元件的影响元件110接近线圈115时，电感提高。在距离最小的情况下，放大可以达到约40％至50％。

对于本发明而言，可以替选地将放大元件或衰减元件用作影响元件110。可以根据图3中的图示来估计各个合理的阈值。

图4示出了用于图2的接近开关200或图1的设备100的线圈115和影响元件110的布置的不同实施方式。

图4A示出了电路板405的表面上实施为扁平线圈的线圈115。电路板405可以例如由陶瓷、玻璃、聚酰亚胺、FR4或其他适用的载体材料制成。替选地，线圈115也可以例如通过胶合施布到测量系统上存在的元件的表面上。影响元件110布置在线圈115上方的预先确定的高度h处。优选地，当影响元件110相对于线圈115改变其定位时，遵守了高度h。象征性地在影响元件110上方指明了轨迹线105。

图4B示出类似的实施方式，但其中，线圈115的区域中附加地设置有铁磁性的且电绝缘的元件410。优选地，元件410位于线圈115与影响元件110之间，从而使影响元件110也可以贴靠在元件410的表面上。附加地或替选地，铁磁性的且电绝缘的元件410也可以例如安装在电路板405背离线圈115的下侧上。

图4D示出了具有两个影响元件110的实施方式，这两个影响元件布置在线圈115的不同的竖直的侧上，并且以适当的方式相互机械连接。由此能够依赖于影响元件110的定位地放大线圈115的电感的影响。

图4D示出类似的实施方式，其中，影响元件110在一侧围嵌电路板405和线圈115。

图4E示出如下实施方式，其中，影响元件110在两侧围嵌电路板405和线圈115。

图5示出了图2的二进制的接近开关200的电路上的示例性的电压。在水平方向上绘制时间，并在竖直的方向上绘制电压。所示的单位应理解为纯示范性的。

在交替的连续阶段505和510中，线圈115交替地受到和不受影响元件110的影响。对于所给出的图示来说，影响元件110可以是放大元件，其中，该放大元件在第一阶段505中接近线圈115，而在第二阶段510中远离该线圈，或者是衰减元件，其中，该衰减元件在第一阶段505中远离线圈115，而在第二阶段510中接近线圈115。第一变化曲线515示出了线圈115上的经整流的电压。在图2的电路中，可以在例如放大器240之前或之后观察到该电压。第二变化曲线520示出了第二接口160处的二进制的信号。借助两个阈值525和530，基于第一变化曲线来确定第二变化曲线520。第一阈值525位于第二阈值530之上，并且两个阈值525、530都位于第一变化曲线515随时间变化的电压之间。通过使用两个阈值525、530实现了开关滞后；在其他实施方式中，也可以仅使用阈值525，并且在无滞后的情况下进行对第二变化曲线520的确定。

如果第一变化曲线515超过第一阈值525，则第二变化曲线520呈第一电平，在此，该第一电平相应于5.0V，这可以被解释为HIGH(高)或逻辑1。然后，如果第一变化曲线515下降到第二阈值530以下，则第二变化曲线520呈第二电平，在此，该第二电平约为0V并且又可被称为LOW(低)或逻辑0。第二接口160处的二进制的信号可以由逻辑直接评估，例如基于TTL或CMOS或者借助模拟的开关回路来评估。此外，它还适于被微型处理器扫描并进一步处理。微型处理器尤其可以接受多个线圈115的第二变化曲线520并将它们相互结合。

图6示出了作为图1的设备100的可能的实施方式或扩展方案的设备600。图6A示出了具有影响元件110的线圈115的系统，而图6B示出了用于确定影响元件110的定位的真值表。图中未示出图1或2的评估元件。

线圈115如下这样地成对布置，即，使得它们可以以相同的方式受到影响元件110影响。为此，线圈115例如可以沿曲线105布置成两排，其中，影响元件110在这两排上横向于曲线105延伸。两排可以相互并置或者例如也可以上下叠置(参见图3)。

影响元件110的示例性的定位用P、Z、R、N和D标注，其中，在图6A的图示中，上排的线圈115载有标注1，而下排的线圈115载有标注2。借助线圈115确定的逻辑值指示了影响元件110的定位，其中，借助这两排能够进行冗余的定位确定。

图6B示出了图6A中设备600的真值表。图中仅示出完整的真值表的一部分。提出的是，当两个线圈115的二进制的信号一致地指示影响元件110接近线圈115，则确定影响元件110位于一个定位P、Z、R、N、D中。在本实施方式中，以衰减元件110为基础，并且逻辑0的信号指示了影响元件110的存在或接近。

该方案可以借助完整的真值表或例如也通过算法来转化。在这两种情况下，都可以借助处理装置150来进行转化。可以经由第一接口140对外提供所确定的定位(真值表的列Q)。第一接口140尤其可以包括例如用于CAN总线的数据总线接口。

附图标记列表

100 设备

105 曲线

110 影响元件

115 线圈

120 频率发生器

125 电阻器

130 整流器

135 比较器

140 第一接口

145 模数转换器(ADC)

150 处理装置

155 多路复用器

160 第二接口

200 接近开关

205 电阻器

210 肖特基二极管

215 去耦电阻器

220 整平滑电容器

225 电阻器

230 电阻器

235 电容器

240 放大器

245 电阻器

250 电阻器

255 电压源

260 电容器

265 电阻器

270 电阻器

275 电阻器

280 电容器

285 电阻器

290 电容器

305 第一变化曲线(衰减元件)

310 第二变化曲线(放大元件)

405 电路板

410 电绝缘的元件

505 第一阶段

510 第二阶段

515 第一变化曲线

520 第二变化曲线

525 第一阈值

530 第二阈值

600 设备