DE102009014801A1

DE102009014801A1 - Induktiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102009014801A1
Application number: DE200910014801
Authority: DE
Inventors: Martin Feldtkeller
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: US8203335B2; US20090243601A1; DE102009014801B4

Abstract

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen eine Näherungsschaltervorrichtung, ein System und Verfahren zum Betreiben und Herstellen einer Näherungsschaltervorrichtung. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform umfasst eine induktive Näherungsschaltervorrichtung eine Vielzahl von induktiven Elementen.

Description

Induktive Näherungsschalter sind in der industriellen Automatisierungstechnik sehr gebräuchlich. Im Gegensatz zu Schaltkontakten und kapazitiven Näherungsschaltern sind induktive Näherungsschalter unempfindlich gegenüber Verschmutzung und sind relativ unempfindlich gegenüber elektromagnetischer Beeinflussung. Induktive Näherungsschalter unterliegen einer Vielzahl von Implementierungen. So können zum Beispiel Näherungsschalter einer kleinen Größe in Kunststoffschrauben eingegossen werden, um sie in dafür vorgesehene Gewinde in Automatisierungsanlagen einzuschrauben, damit sie Metallkörper in der Nähe wahrnehmen.
Im Allgemeinen umfassen induktive Näherungsschalter eine Spule, die üblicherweise in einem halben Ferrit-Schalenkern untergebracht ist, und eine Oszillatorschaltung, die so abgestimmt ist, dass sie mit einer Spule hoher Güte oder hoher Leistung schwingt, aber nicht mit einer Spule schwingt, die eine geringere Güte oder Leistung aufweist. Die Schwingungsamplitude wird gleichgerichtet, und ein digitales Signal, das davon abgeleitet wird, wird an ein Ausgangssignal abgegeben. Wenn sich ein großes Metallobjekt oder ein großer Metallkörper in dem Streufeld der Spule befindet, so vermindert sich die ansonsten hohe Güte der Spule auf einen kleinen Wert. Mit Hilfe einer Auswerteschaltung, die das Ausgangssignal auswertet, kann erkannt werden, ob sich ein Metallobjekt in der Nähe des Näherungsschalters befindet oder nicht.
Da monolithisch integrierte Spulen eine niedrige Güte aufweisen können und auf Grund ihrer Abmessungen ein kleineres Streufeld aufweisen können, kann die Technologie von bekannten Näherungsschaltern mit einer diskreten Spule nicht ohne Weiteres auf monolithisch integrierte Näherungsschalter übertragen werden. Oszillatorschaltungen von monolithisch integrierten Spulen und Kondensatoren weisen bei einer bezahlbaren Chipfläche Resonanzfrequenzen von mehreren GHz auf. Die Eindringtiefe des Streufeldes in ein benachbartes Metallobjekt ist bei dieser Frequenz so gering, dass bestenfalls eine Induktivitätsänderung erreicht werden kann, aber wohl kaum eine Güteänderung, wie dies oben beschrieben ist. Deshalb kann die Induktivitäts änderung nicht zuverlässig durch eine Amplitudendetektion einer Oszillatorschwingung erfasst werden.
Die Erfindung löst dieses bzw. andere Probleme durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 45, 46, 51, und 54.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Verschiedene Vorteile, Ausführungsformen und neuartige Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den nachfolgenden Zeichnungen vollständiger verständlich werden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein induktiver Näherungsschalter bereitgestellt, bei dem eine Anzahl von induktiven Elementen auf dem gleichen Substrat bzw. dem gleichen Chip des Näherungsschalters bereitgestellt sind. In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können sich die induktiven Elemente in einer oder in mehreren Metallisierungsebenen auf dem gleichen Substrat oder Chip wie eine Auswerteschaltung für das Auswerten von Ausgangssignalen der induktiven Elemente befinden. Diese induktiven Elemente des Näherungsschalters können zum Beispiel als eine Spule oder eine Antenne implementiert werden. Diese induktiven Elemente können eine Vielzahl von Leiterbahnen oder Windungen umfassen, die jeweils auf dem Chip oder dem Substrat des Näherungsschalters angeordnet sind.
Ein anderes Ausführungsbeispiel des Näherungsschalters in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens zwei induktive Elemente oder Spulen, die voneinander räumlich beabstandet sind. Somit können die induktiven Elemente oder Spulen im Hinblick auf das Metallobjekt, das ermittelt werden soll, so ausgerichtet sein, dass sich eines der induktiven Elemente oder eine der Spulen näher an dem Metallobjekt befindet als die andere Spule. Das Layout der beiden induktiven Elemente oder Spulen kann derart sein, dass sie bei einem störungsfreien elektromagnetischen Streufeld die glei che Induktivität umfassen. Befindet sich ein Metallobjekt in der Nähe des Näherungsschalters, so kann sich die Induktivität der Spule, die sich näher bei dem Metallobjekt befindet, in einem höheren Ausmaß ändern als die Induktivität der Spule, die sich weiter entfernt von dem Metallobjekt befindet.
In Übereinstimmung mit noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Induktivitätsunterschied der induktiven Elemente oder Spulen in dem Näherungsschalter ermittelt werden, indem beide Spulen mit gleichen Kondensatoren zu Resonanzkreisen verbunden werden und die Phasenlage der Schwingungen bei der gleichen Frequenz verglichen wird.
Alternativ dazu kann der Induktivitätsunterschied der induktiven Elemente oder Spulen in dem Näherungsschalter ermittelt werden, indem beide induktiven Elemente oder Spulen jeweils mit einem Kondensator und mit aktiven Bauelementen gekoppelt werden, um LC-Oszillatorschaltungen zu bilden, die ein induktives Element (L) und ein kapazitives Element (C) umfassen. Diese LC-Oszillatorschaltungen können abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, und die Frequenzmodulation eines Summensignals der beiden Oszillatorschwingungen wird ausgewertet. Bei dieser Auswertung kann die Frequenzmodulation mit einer PLL-Schaltung erfasst werden.
Bei noch einer weiteren Alternative kann der Induktivitätsunterschied der induktiven Elemente oder Spulen in dem Näherungsschalter erfasst werden, indem beide Induktivitätswerte der induktiven Elemente oder Spulen in dem Näherungsschalter miteinander in einer Brückenschaltung verglichen werden. Die Betriebsfrequenz kann im Vergleich zu den beiden obigen Alternativen niedriger sein, da die Güte der Spule für die Brückenschaltung unkritisch ist. So können zum Beispiel induktive Elemente oder Spulen mit magnetischen Durchmessern von 1 mm Betriebsfrequenzen in dem Bereich von etwa 100 MHz umfassen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Näherungsschalters in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens drei induktive Elemente oder Spulen auf einem Chip oder einem Substrat des Näherungsschalters. Diese induktiven Elemente oder Spulen können auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat monolithisch integriert sein. Eines dieser induktiven Elemente bzw. eine dieser Spulen kann als eine Sendespule funktionieren und ein magnetisches Streufeld erzeugen, das ein Metallobjekt erreicht, das sich gegebenenfalls in der Nähe befindet. Zwei weitere induktive Elemente oder Spulen können als Empfangsspulen funktionieren und können derart angeordnet sein, dass die Spannungen, die in die Empfangsspulen induziert werden, bei einem ungestörten Streufeld im Wesentlichen gleich sind. Sowohl die Sendespule als auch die Empfangsspulen können eine Vielzahl von Leiterbahnen oder Windungen umfassen, die auf dem Chip oder dem Substrat des Näherungsschalters angeordnet sind.
Wenn ein Metallobjekt oder ein Metallkörper derart in das Streufeld gebracht wird, dass sich das Magnetfeld, das durch eine der beiden Empfangsspulen strömt, stärker als das Magnetfeld ändert, das durch die andere Empfangsspule strömt, dann kann die Annäherung des Metallobjekts aus einem Unterschied der beiden induzierten Spannungen erkannt werden. Die Auswertung der Spannungen, die in die Empfangspulen induziert worden sind, kann mit Hilfe eines Differenzverstärkers durchgeführt werden. Alternativ dazu können die Empfangsspulen auch komplementär in Reihe miteinander geschaltet sein, so dass sich deren induzierte Spannungen bei einem störungsfreien Streufeld aufheben werden.
Die Empfangsspulen können innerhalb oder außerhalb der Abmessungen der Sendespule angeordnet werden. Des Weiteren können die Empfangsspulen in einer Ebene, die parallel zu der Ebene der Sendespule ist, derart angeordnet werden, dass sich ein Teil ihres Querschnitts innerhalb der Abmessungen der Sendespule befindet und ein anderer Teil ihres Querschnitts außerhalb der Abmessungen der Sendespule befindet. Auf diese Weise können die Spannung, die in die Empfangsspulen bei einem ungestörten Streufeld induziert wird, und folglich der Gleichtaktaussteuerbereich eines angeschlossenen Differenzverstärkers reduziert werden.
In Übereinstimmung mit noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können auch mehr als zwei Empfangsspulen vorhanden sein und so verschaltet sein, dass sich ihre induzierten Spannungen im Falle eines ungestörten Streufeldes, wenn sich kein Metallobjekt oder Metallkörper in der Nähe des Näherungsschalters befindet, im Wesentlichen aufhe ben können, und dass sich diese im Falle eines gestörten Streufeldes auf Grund eines Metallobjekts oder eines Metallkörpers, das bzw. der sich in der Nähe des Näherungsschalter befindet, nicht aufheben. Die Sendespule und die Empfangsspulen können in einer planaren Weise integriert auf einem Substrat oder Chip des Näherungsschalters angeordnet sein.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind nur eine einzige Sendespule und eine einzige Empfangsspule in dem Näherungsschalter vorgesehen, wobei die Empfangsspule in einer Ebene parallel zu der Ebene der Sendespule positioniert ist. Des Weiteren kann die Empfangsspule in einer versetzt angeordneten Art und Weise im Hinblick auf die Sendespule derart angeordnet sein, dass sich bei einem ungestörten Streufeld der magnetische Fluss, der die Empfangsspule außerhalb und innerhalb der Sendespule durchflutet, aufheben kann.
In noch einem anderen Ausführungsbeispiel des Näherungsschalters in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann die Sendespule mit unterschiedlichen Abständen der Windungen derart angeordnet sein, dass deren magnetisches Streufeld unsymmetrisch in die Richtung des zu erwartenden Metallobjekts in der Nähe gerichtet ist. Die Anordnung der Spulen in dem Näherungsschalter relativ zu einander kann auf Grund geeigneter Verfahren in der Halbleiterproduktion nur sehr geringen Schwankungen unterliegen. Wenn einmal ein geeignetes Layout für die induktiven Elemente oder Spulen erstellt worden ist, kann es sein, dass keine weitere Ausrichtung der induktiven Elemente oder Spulen mehr erforderlich ist.
Hinsichtlich der Wahl der Betriebsfrequenz ist zum einen die Genauigkeit der Auswerteschaltung relevant und zum anderen, dass eine ausreichende Spannung in die Empfangsspulen induziert wird. Bei einem magnetischen Querschnitt von wenigen Quadratmillimetern kann die Frequenz in dem Bereich von etwa 10 MHz bis 100 MHz liegen. Alternativ dazu kann die Betriebsfrequenz so niedrig gewählt werden, dass das magnetische Streufeld der induktiven Elemente oder Spulen des Näherungsschalters in einen Metallkörper eindringt, der sich in der Nähe befindet.
Der Strom, der durch eine Sendespule fließt, kann in einer impulsförmigen oder sinusförmigen Art und Weise ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Impulse und die Impulspausen vorzugsweise so lange dauern, bis das magnetische Streufeld jeweils einen quasistationären Zustand erreicht hat oder nahezu vollständig abgeklungen ist. Auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit eines Metallobjekts, das sich in der Nähe des Näherungsschalters befindet, kann sich das Magnetfeld innerhalb des Metallobjekts langsamer aufbauen und abbauen als außerhalb davon. Alternativ dazu kann der Strom, der durch eine Sendespule fließt, sinusförmig sein.
Die Sendespule kann durch einen Steuerimpuls in einer Art und Weise angesteuert werden, dass der Strom, der durch sie fließt, in einer kurzen Zeitspanne kommutiert werden kann. In dem Augenblick des Abschaltens des Stroms, der durch die Sendespule fließt, wird auf Grund des Magnetfeldes, das außerhalb des Metallobjekts sofort zusammenbricht, ein hoher Spannungsimpuls oder Kommutationsimpuls in die Sendespule induziert werden, der dem Steuerimpuls entgegen gerichtet ist.
Wenn kein Metallobjekt in der Nähe des Näherungsschalters vorhanden ist, dann kann die Spannung in der Sendespule ohne einen Stromfluss in einer kurzen Zeitspanne nach diesem Kommutationsimpuls auf Null abklingen. Wenn sich aber ein Metallobjekt in der Nähe befindet, dann kann das Magnetfeld im Innern des Metallobjekts langsamer abklingen, so dass ein magnetisches Streufeld in der Nähe davon ebenfalls langsam abklingen kann. Folglich kann ein Teil dieses abklingenden magnetischen Streufeldes eine Spannung oder einen Strom induzieren, die bzw. der durch die Sendespule fließt, und kann als eine induzierte Spannung erfasst werden.
In einem induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit dem zuletzt erwähnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nur eine Spule erforderlich, die mit einer schaltbaren Stromquelle und einem Verstärker gekoppelt sein kann. Aus schaltungstechnischen Gründen können separate Sende- und Empfangsspulen in dem Näherungsschalter bereitgestellt werden. Die Spulen in dem Näherungsschalter können derart angeordnet sein, dass ein magnetisches Streufeld der Sendespule, das durch das Metallobjekt strömt, die Empfangsspule während der nachfolgenden Relaxation des magnetischen Streufelds erreicht.
Auf Grund des Verlaufs der induzierten Spannung während der Relaxation des magnetischen Streufeldes kann eine Unterscheidung zwischen kleineren Metallkörpern in der unmittelbareren Nähe und größeren Metallkörpern, die sich in einem größeren Abstand von dem Näherungsschalter befinden, möglich sein. Falls es aus konstruktionstechnischen Gründen ratsam ist, dass das Chip oder das Substrat des induktiven Näherungsschalters auf einem metallischen Leadframe montiert wird, dann kann das Magnetfeld in dem relativ dünnen Leadframe immer noch relativ schnell abklingen, während das Magnetfeld in einem größeren Metallobjekt, das sich weiter entfernt befindet, langsamer abklingen kann. Des Weiteren kann eine Unterscheidung zwischen Objekten, die Metalle mit ferromagnetischen Eigenschaften umfassen, wie zum Beispiel Eisen, und nichtmagnetischen Metallen möglich sein, weil das Magnetfeld in einem leitenden ferromagnetischen Körper oder Objekt sogar noch langsamer abklingt.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von Näherungsschaltern vorgesehen, die auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat angeordnet sein können. Die Vielzahl von Näherungsschaltern kann zum Beispiel in einem Kreis angeordnet werden, um so in Kombination mit einem stabförmigen oder sternförmigen Metallobjekt einen Drehwinkelsensor bereitzustellen. Alternativ dazu kann die Vielzahl von Näherungsschaltern in einer Matrix derart angeordnet werden, dass die Formen von Metallteilen, die darüber liegen, oder zweidimensionale Bewegungen erkannt werden können.
Die Signale der einzelnen Näherungsschalter können quantitativ ausgewertet werden, und dreidimensionale Abbilder von Metallobjekten, die über der Matrix des Näherungsschalters liegen, können gewonnen werden. Beispielsweise könnte es so möglich sein, Münzen in Automaten oder Geldsortiermaschinen nicht nur nach ihrer Größe und ihrem Gewicht, sondern auch gemäß ihrer Prägung zu überprüfen.
In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein induktiver Näherungsschalter bereitgestellt, der wenigstens ein induktives Element umfasst, das von einem impulsförmigen oder sinusförmigen Strom durchflossen wird, und wobei der zeitliche Verlauf der Spannung, die in das wenigstens eine induktive Element induziert wird, nach dem Abschalten des Stromimpulses ausgewertet werden kann. Dieses induktive Element des Näherungsschalters kann zum Beispiel als eine Spule oder eine Antenne implementiert sein. Dieses Ausführungsbeispiel eines induktiven Näherungsschalters in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann mit nur einem induktiven Element bzw. mit nur einer Spule funktionieren.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein induktiver Näherungsschalter bereitgestellt, der wenigstens eine planare Sendespule und eine Spulenanordnung aus wenigstens einer planaren Empfangsspule umfasst, die in einer Ebene parallel zu der Sendespule angeordnet ist, wobei die Spulenanordnung gegenüber der Sendespule derart angeordnet ist, dass bei einem ungestörten Streufeld der Sendespule nahezu keine Spannung in die Spulenanordnung induziert wird, und dass bei einem Streufeld, das durch ein Metallobjekt verzerrt wird, das sich in der Nähe befindet, eine erfassbare Spannung in die Spulenanordnung induziert wird.
In Übereinstimmung mit noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein induktiver Näherungsschalter vorgesehen, der wenigstens zwei ähnliche induktive Elemente oder Spulen umfasst, wobei die Induktivitäten der induktiven Elemente oder Spulen bei einem ungestörten magnetischen Streufeld gleich sind, und der induktive Näherungsschalter des Weiteren eine Auswerteschaltung zum Vergleichen der Induktivitäten der zwei induktiven Elemente oder Spulen umfasst. Wie oben erwähnt worden ist, besteht eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Anordnung einer Vielzahl von induktiven Näherungsschaltern auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat, wobei das induktive Element des Näherungsschalters zum Beispiel als eine Spule oder eine Antenne implementiert sein kann.
Die beigefügten Zeichnungen sind eingeschlossen, um ein weiteres Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen, und sind in diese Patentschrift aufgenommen und bilden einen Teil davon. Die Zeichnungen veran schaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne Weiteres erkannt werden, wenn diese durch Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu in Relation zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende oder ähnliche Teile.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines induktiven Näherungsschalters mit integrierten induktiven Elementen oder Spulen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Draufsicht;
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Auswerteschaltung zum Auswerten der Signale von einem induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt eine Draufsicht auf eine Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5a zeigt einen Querschnitt einer Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5b zeigt einen Querschnitt einer Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt eine Draufsicht auf eine Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt eine schematische Ansicht, die die Funktionalität eines induktiven Näherungsschalters in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Situation veranschaulicht, in der sich ein Metallobjekt in der Nähe befindet;
die 8a, 8b und 8c veranschaulichen den Zustand eines magnetischen Streufeldes, das von einem induktiven Näherungsschalter in unterschiedlichen Situationen erzeugt wird;
die 9a, 9b, 9c und 9d veranschaulichen Stromverläufe einer Sendespule in einem induktiven Näherungsschalter in unterschiedlichen Situationen; und
10 veranschaulicht schematisch eine Anordnung einer Vielzahl von Näherungsschaltern in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil davon bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Weil Komponenten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einer Anzahl von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet und ist in keinster Weise beschränkend. Es sollte klar sein, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und dass strukturelle oder logische Änderungen durchgeführt werden können, ohne dass von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die nachfolgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht in einem beschränkenden Sinne betrachtet werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist durch die angehängten Patentansprüche definiert.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen induktiven Näherungsschalter NS in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, der zwei induktive Elemente oder Spulen 2 und 3 um fasst, die auf einem Chip oder einem Substrat 1 integriert sind. In der Nähe des Chips 1 befindet sich ein benachbarter Metallkörper bzw. ein benachbartes Metallobjekt K. Die Anordnung der Spulen 2, 3 ist wesentlich für das Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 1 gezeigt ist und das auf einem Induktivitätsvergleich zwischen der Induktivität der Spulen 2 und 3 basiert.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Auswerteschaltung A zum Auswerten der Signale von einem induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Auswerteschaltung kann zwei LC-Oszillatoren 4 und 5 umfassen, die abwechseln aktiviert und deaktiviert werden können. Diese Aktivierung und Deaktivierung der zwei LC-Oszillatoren 4, 5 kann von einem Taktgenerator 6 gesteuert werden. Steuerkreise 7 und 7' können Wechselstrom-Spannungssignale für die IC-Oszillatoren 4, 5 jeweils auf eine abwechselnde Art und Weise bereitstellen.
Einer der LC-Oszillatoren 4, 5 und einer der Steuerkreise 7 und 7' bilden jeweils eine Oszillatorschaltung. Die sinusförmigen Zeichen innerhalb der Steuerkreisblöcke 7 und 7' geben an, dass die Steuerkreisblöcke 7 und 7' die LC-Oszillatoren 4, 5 auch mit sinusförmigen Signalen versorgen können. Die LC-Oszillatoren 4, 5, die in 2 gezeigt sind, können als äquivalent zu den induktiven Elementen oder Spulen 2 und 3 betrachtet werden, die in 1 gezeigt sind.
Die Auswerteschaltung A kann des Weiteren eine Phasenregelkreis-(phase locked loop/PLL-)-Schaltung 8 für die Frequenzdemodulation eines Summensignals umfassen, das aus einer Addition der Ausgangssignale der LC-Oszillatoren 4, 5 abgeleitet worden ist. Mit Hilfe einer aktiven Gleichrichterschaltung (GS) 9 kann der Demodulatorausgang der PLL 8 in ein gleichgerichtetes Signal umgewandelt werden. Die aktive Gleichrichterschaltung 9 kann mit dem Taktgenerator 6 zur Synchronisierung der gleichrichtenden Signalverarbeitung mit dem Taktsignal in der aktiven Gleichrichterschaltung 9 gekoppelt sein. Dieses gleichgerichtete Signal, das von der aktiven Gleichrichterschaltung 9 erzeugt wird, kann dem Frequenzunterschied der beiden LC-Oszillatoren 4, 5, entsprechen. Das gleichgerichtete Signal kann anschließend zu einem Schwellwertdetektor 10 weitergeleitet und von diesem bewertet werden.
Weitere Ausführungsbeispiele des induktiven Näherungsschalters in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind in den 3, 4, 5a, 5b und 6 veranschaulicht. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Spulenanordnung, die in 3 gezeigt ist, umfasst eine Sendespule S und zwei Empfangsspulen E1 und E2, die unterhalb der Sendespule S derart positioniert sind, dass die Sendespule S in einer Ebene des Chips 1 positioniert ist und die Empfangsspulen E1 und E2 in einer anderen Ebene des Chips 1 parallel zu der Ebene der Sendespule S positioniert sind. Sowohl die Sendespule S als auch die zwei Empfangsspulen E1 und E2 können eine Vielzahl von Leiterbahnen oder Windungen umfassen, die jeweils auf dem Chip 1 oder dem Substrat angeordnet sind.
Des Weiteren können zwei Empfangsspulen E1 und E2 unter der Sendespule S in einer versetzt angeordneten Art und Weise relativ zu der Sendespule S so angeordnet sein, dass die Position der Empfangsspulen E1 und E2 in ihrer horizontalen Abmessung wenigstens teilweise von der vertikalen und/oder horizontalen Position der Sendespule S versetzt ist. Die Richtung des Stroms, der durch die Sendespule S fließt, ist durch Kreuze (Stromrichtung in die Bildebene hinein) und Punkte (Stromrichtung aus der Bildebene heraus) in der Querschnittsfläche der Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule S angegeben. Die Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule S können mit einem größeren Querschnitt versehen sein als die Leiterbahnen oder Windungen der Empfangsspulen E1 und E2. Auf diese Weise kann der Leiterbahnwiderstand der Sendespule S und des elektromagnetischen Nahfeldes reduziert werden.
4 zeigt eine Draufsicht einer Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel, das in 4 gezeigt ist, umfasst eine Sendespule S und Empfangsspulen E1 und E2, die unter der Sendespule S positioniert sind. Sowohl die Sendespule S als auch die Empfangsspulen E1 und E2 umfassen jeweils eine Vielzahl von Leiterbahnen oder Windungen. In 4 sind die Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule S durch eine schraffierte Fläche angegeben und die Leiterbahnen oder Windungen der Empfangsspulen E1 und E2 sind durch einfache Linien angegeben.
Eine Verbindung von den Enden der Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule S zu einer Spannungs- oder Stromquelle (nicht gezeigt) ist in 4 durch gestrichelte Linien angegeben. Die Enden der Leiterbahnen oder Windungen der Empfangsspulen E1 und E2 können jeweils mit einem Differenzverstärker 11 gekoppelt sein. Über diese Verbindung zwischen den Leiterbahnen oder Windungen der Empfangsspulen E1 und E2 und mit Hilfe des Differenzverstärkers 11 ist es möglich, eine Differenz der Spannungen auszuwerten, die in die Empfangsspulen E1 und E2 induziert worden sind.
5a zeigt einen Querschnitt der Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in 4 gezeigt ist. Das Rechteck, das in 5a gezeigt ist, gibt die Querschnittsfläche eines Chips oder eines Substrats 1 an, der bzw. das die induktiven Elemente oder Spulen S, E1, E2 des induktiven Näherungsschalters trägt. Wie aus 5a ersichtlich wird, umfasst die Spulenanordnung eine Sendespule S und zwei Empfangsspulen E1 und E2, wobei die Empfangsspulen E1, E2 in einer Ebene unterhalb der Sendespule S angeordnet sind. Somit ist die Sendespule S in einer Ebene des Chips oder des Substrats 1 positioniert, und die Empfangsspulen E1, E2 sind in einer anderen Ebene des Chips oder des Substrats 1 parallel zu der Ebene der Sendespule S positioniert.
Die Empfangsspulen E1, E2 sind derart angeordnet, dass sich ein Teil ihres Querschnitts innerhalb der horizontalen Ausdehnung der Sendespule S befindet und ein anderer Teil ihres Querschnitts außerhalb der horizontalen Ausdehnung der Sendespule S befindet. Somit kann die Spannung, die in die Empfangsspulen E1, E2 bei einem störungsfreien Streufeld induziert wird, und folglich der Gleichtaktaussteuerbereich eines daran angeschlossenen Differenzverstärkers reduziert werden.
Die Querschnitte der Leiterbahnen oder Windungen der Sendespulen S und der Empfangsspulen E1, E2 können jeweils in einer rechteckigen Form bereitgestellt werden. Aber es ist auch jede andere Form für die Querschnitte der Leiterbahnen oder Windungen der Sendespulen S und der Empfangsspulen E1, E2 möglich. Die Richtung des Stroms, der durch die Sendespule S fließt, wird in 5a wieder durch Kreuze (Stromrichtung in die Bildebene hinein) und Punkte (Stromrichtung aus der Bildebene heraus) in der Querschnittsfläche der Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule S angegeben.
Die strichpunktierte Linie in der Mitte von 5a gibt eine Symmetrieachse der Spulenanordnung an, die in 5a gezeigt ist. Die kreisförmigen gestrichelten Linien geben die Verteilung oder den Verlauf des Magnetfeldes an, das von der Sendespule S erzeugt wird, wenn sich kein Metallkörper in der Nähe des Näherungsschalters befindet. Die Pfeilspitzen in den Magnetfeldlinien geben die Richtung des magnetischen Flusses des Magnetfeldes an.
Die Sendespule S und die Empfangsspulen E1, E2 können in einer Art und Weise angeordnet werden, dass ein überwiegender Teil der Magnetfeldlinien oberhalb oder unterhalb einer Empfangsspule E1 oder E2 vorbei läuft und so wenig Feldlinien wie möglich von den Leiterbahnen oder Windungen der Empfangsspulen E1, E2 eingeschlossen werden. Somit wird bei einem ungestörten Magnetfeld, d. h., ohne einen Metallkörper in der Nähe, nur eine geringe Spannung von dem Magnetfeld, das von der Sendespule S erzeugt wird, in die Empfangsspulen E1, E2 induziert. Auf Grund der Symmetrieeigenschaften der Empfangsspulen E1, E2 kann die gleiche Spannung in beide Empfangsspulen E1, E2 induziert werden.
5b zeigt einen Querschnitt der gleichen Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in 5a gezeigt ist. Anders als in 5a ist in 5b ein Metallkörper K in der Nähe des Näherungsschalters vorhanden. Folglich zeigt die 5b den Verlauf der Magnetfeldlinien oder die Verteilung der Magnetfeldlinien, wenn ein Metallkörper K in der Nähe vorhanden ist.
Ein Wechselstrom, der durch die Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule S fließt, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, wie dies durch die kreisförmigen gestrichelten Linien angegeben ist. Dieses magnetische Wechselfeld kann eine solch hohe Frequenz aufweisen, dass es nicht beträchtlich in den Metallkörper K eindringt. Folglich können die Magnetfeldlinien, die nach oben gerichtet sind, zwischen dem Metallkörper K und der rechten Seite der Sendespule S zusammengedrängt werden, wodurch in diesem Bereich ein größerer magnetischer Widerstand verursacht wird.
Auf Grund des größeren magnetischen Widerstands auf der rechten Seite der Sendespule S können die Magnetfeldlinien, die von der Mitte der Sendespule S austreten und die nach unten gerichtet sind, weniger dicht verlaufen als auf der linken Seite der Sendespule S, auf der das Magnetfeld im Vergleich zu der ungestörten Situation, die in 5a gezeigt ist, bei der sich kein Metallkörper K in der Nähe befindet, beinahe unverändert ist. Somit verlaufen also insgesamt mehr dichte Magnetfeldlinien, die nach oben gerichtet sind, durch die rechte Empfangsspule E2 als Magnetfeldlinien, die nach unten gerichtet sind, wodurch eine Spannung in die rechte Empfangsspule E2 induziert wird.
In dem linken Teil der Spulenanordnung sind die Verhältnisse im Wesentlichen unverändert im Vergleich zu der ungestörten Situation, die in 5a gezeigt ist. Folglich ändert sich in der Situation, die in 5b gezeigt ist, die Spannung, die von der Sendespule S in die linke Empfangsspule E1 induziert wird, weniger als in der rechten Empfangsspule E2. Der Unterschied der induzierten Spannungen kann an dem Ausgang des Differenzverstärkers 11, der mit beiden Empfangsspulen E1, E2 verbunden ist, wie dies in 4 gezeigt ist, abgegriffen werden. Des Weiteren kann das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 11 von einer Auswerteschaltung A, wie sie in 2 gezeigt ist, ausgewertet werden. In diesem Fall kann das Signal von dem Differenzverstärker 11 zu der Phasenregelkreis-(PLL)-Schaltung 8 zugeführt werden und die aktive Gleichrichterschaltung 9 kann den Demodulatorausgang der PLL 8 in ein gleichgerichtetes Signal umwandeln und danach zu dem Schwellwertdetektor 10 weiterleiten.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel, das in 6 gezeigt ist, umfasst eine Sendespule S und nur eine Empfangsspule E. Diese Anordnung kann als ähnlich zu der Anordnung auf der rechten Seite der 5a betrachtet werden. Die Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule S sind wiederum durch eine schraffierte Fläche angegeben, und die Leiterbahnen oder Windungen der Empfangsspule E sind mit einfachen Linien angegeben. Gestrichelte Linien ausgehend von den Enden der Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule S geben eine Verbindung zu einer Spannungs- oder Stromquelle (nicht gezeigt) an, und die Enden der Leiterbahnen oder Windungen der Empfangsspule E können zum Beispiel mit einem einzelnen Eingangsverstärker oder mit einem Differenzverstärker, wie er in 4 gezeigt ist, gekoppelt sein.
Die Sendespule S, die in 6 gezeigt ist, umfasst unsymmetrische Leiterbahnen oder Windungen mit einem länglichen Layout, wodurch ein unsymmetrisches Magnetfeld erzeugt wird. Die linken Teile oder Abschnitte der Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule S können einen größeren Durchmesser umfassen als die rechten Teile oder Abschnitte der Leiterbahnen, wodurch eine stärkere Aufspreizung bzw. Ausbreitung der Leiterbahnen auf der linken Seite der Sendespule S bewirkt wird.
Auf Grund der stärkeren Aufspreizung der Leiterbahnen oder Windungen auf der linken Seite der Sendespule S sind die magnetischen Wege der Magnetfeldlinien in diesem Bereich länger. Somit wird zumindest ein elektro-magnetisches Nahfeld der Sendespule S auf der rechten Seite stärker ausgebildet als auf der linken Seite der Sendespule S. Darüber hinaus bewirkt das längliche Layout der unsymmetrischen Leiterbahnen oder Windungen eine geringere magnetische Feldstärke an den Stirnseiten der Sendespule S.
Die Empfangsspule E kann derart angeordnet sein, dass sie in der Situation mit einem ungestörten Magnetfeld, also wenn sich kein Metallobjekt oder Metallkörper in der Nähe befindet, keine Feldlinien einschließt. Wenn sich ein Metallkörper rechts neben der Sendespule S befindet, dann vermindert sich der Querschnitt, der den Magnetfeldlinien zur Verfügung steht, in dem jeweiligen Bereich zwischen dem Metallkörper und der Sendespule S. Die Feldlinien können näher an der Sendespule S entlang verlaufen und werden dadurch teilweise auch von der Empfangsspule E erfasst.
7 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Funktionalität eines induktiven Näherungsschalters in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Situation, in der sich ein Metallobjekt K in der Nähe befindet. Der induktive Näherungsschalter kann eine Sendespule S und eine Empfangsspule E umfassen. Die Empfangsspule E kann mit einem Differenzverstärker 11 gekoppelt sein, und die Sendespule S kann mit einer Stromquelle 12 gekoppelt sein, die durch den Schalter 13 schaltbar sein kann. Die Sendespule S kann mit Hilfe einer schaltbaren Stromquelle 12 zum Beispiel mit einem impulsförmigen Stromverlauf beaufschlagt werden. Alternativ dazu kann der Strom, der durch eine Sendespule S fließt, sinusförmig sein.
Wenn sie von einer schaltbaren Stromquelle 12 angesteuert wird, dann erzeugt die Sendespule S ein wechselndes magnetisches Streufeld, das die Empfangsspule E umgibt, und ein Strom wird somit in die Empfangsspule E induziert. Wenn ein Metallkörper K in das magnetische Streufeld gelangt, dann wird der magnetische Fluss des Streufeldes beeinflusst und der Strom, der in die Empfangsspule E induziert wird, ändert sich. Das Vorhandensein eines Metallkörpers K in der Nähe der Spulenanordnung kann durch eine Auswertung des Ausgangspannungssignals von der Empfangsspule E mit Hilfe des Differenzverstärkers 11 ermittelt werden, der die Änderung des Stroms misst, der in die Empfangsspule E induziert wird.
Die 8a, 8b und 8c veranschaulichen Zustände des magnetischen Streufeldes eines Näherungsschalters in unterschiedlichen Situationen in Abhängigkeit von dem Vorhandensein eines Metallkörpers K in der Nähe und in Abhängigkeit von dem Strom, der durch eine Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung fließt. Wie beschrieben ist, wird ein magnetisches Streufeld von der Sendespule S des induktiven Näherungsschalters erzeugt. Bei einer eingeschalteten Stromquelle 12 wird ein Magnetfeld um die Sendespule S herum aufgebaut. Wenn sich kein Metallkörper in der Nähe befindet, dann können die Feldlinien des magnetischen Streufeldes so sein, wie dies in 8a veranschaulicht ist.
Die schaltbare Stromquelle 12 kann so ausgeführt sein, dass sie beim Abschalten des Stroms eine hohe Kommutierungsspannung der Sendespule übernehmen kann. Dies kann von Bedeutung in dem Fall sein, dass die Sendespule S nach einer kurzen Zeitspanne stromlos ist. Während der Kommutierung wird ein sehr hoher Spannungsimpuls an der Sendespule S und an der Empfangsspule E erzeugt, danach bricht die Spannung je nach Dämpfung auf Null zusammen.
In einem eingeschwungenen Zustand eines Metallkörpers K in der Nähe eines induktiven Näherungsschalters verlaufen die Feldlinien beim Vorhandensein eines nichtmagnetischen Metallkörpers K (der zum Beispiel aus Aluminium hergestellt ist) in der Weise, wie sie verlaufen, wenn der Metallkörper K nicht vorhanden ist. Wenn der Metallkörper ferromagnetische Eigenschaften aufweist, dann verlaufen die Feldlinien vorzugsweise senkrecht zu der Oberfläche des Metallkörpers und dringen tiefer in diesen ein. Ein solcher Feldlinienverlauf ist in 8b veranschaulicht.
Wenn der Strom, der durch die Sendespule S fließt, abgeschaltet wird, dann verzögert ein zirkularer Stromfluss in dem Metallkörper K das Zusammenbrechen des Magnetfeldes. Die Oberfläche des Metallkörpers K kann wie eine Kurzschlusswicklung eines Transformators wirken, der zusammen mit der Sendespule S ausgebildet ist. Der zirkulare Stromfluss erzeugt seinerseits magnetische Feldlinien, von denen die Sendespule einen Teil umschließt. Dieses Verhalten ist in 8c veranschaulicht.
Die 9a, 9b, 9c und 9d veranschaulichen Stromverläufe einer Sendespule und der Empfangsspulen in einem induktiven Näherungsschalter in unterschiedlichen Situationen in Abhängigkeit von dem Vorhandensein eines Metallkörpers K in der Nähe eines induktiven Näherungsschalters in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und in Abhängigkeit von dem Strom, der durch eine Spulenanordnung für einen induktiven Näherungsschalter in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung fließt.
9a veranschaulicht den Stromverlauf in der Sendespule, 9b zeigt den Spannungsverlauf an der Sendespule, 9c zeigt den Spannungsverlauf an einer ersten Empfangsspule und 9d zeigt den Spannungsverlauf an einer zweiten Empfangsspule. Die durchgezogenen Linien bezeichnen jeweils den Spannungsverlauf an den Empfangsspulen, wenn kein Metallkörper K in der Nähe der Spulenanordnung vorhanden ist, und die gestrichelten Linien bezeichnen jeweils den Spannungsverlauf an den Empfangsspulen, wenn ein Metallkörper K in der Nähe der Spulenanordnung vorhanden ist.
Sogar einige Zeit nach dem Abschalten des Stroms, der durch die Sendespule S fließt, dauert der Abbau des Magnetfeldes noch an. Die Änderung des Magnetfeldes induziert eine langsam abklingende Spannung in der Sendespule S (und in einer Empfangsspule E). Diese Spannung in der Sendespule S ist der Spannung zum Aufbau des Magnetfeldes entgegen gerichtet und kann abgegriffen werden. Der sich ergebende Spannungsverlauf ist in 9b für die Sendespule S und in 9c für die Empfangsspule E veranschaulicht.
An Hand des erfassten Spannungsverlaufs kann auch die Größe des Metallkörpers K erkannt werden. In dem Stromverlauf, der in 9d gezeigt ist, ist der Spannungsverlauf für einen kleinen oder dünnen nahe gelegenen Metallkörper K mit einer gestrichelten Linie mit kürzeren Strichen veranschaulicht, und der Spannungsverlauf für ein weiter entferntes größeres Metallobjekt K ist mit einer gestrichelten Linie mit längeren Strichen veranschaulicht. Mehrere solcher Verläufe, die unterschiedlich schnell abfallen, können auch überlagert sein. Durch Abtastung des Spannungsverlaufs zu mehreren Zeitpunkten und durch eine entsprechende Bewertung ist es zum Beispiel möglich, den Einfluss eines metallischen Leadframe auf den Näherungsschalter herauszurechnen, wenn es zum Beispiel aus konstruktionstechnischen Gründen notwendig ist, dass der Chip oder das Substrat des Näherungsschalters auf einem Leadframe montiert werden muss.
10 veranschaulicht schematisch eine Anordnung einer Vielzahl von Näherungsschaltern in Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Vielzahl von Näherungsschaltern NS in einem Ring angeordnet und durch Kreise veranschaulicht. Oberhalb des Rings kann zum Beispiel ein unsymmetrischer, sternförmiger Metallkörper K positioniert sein. Auf Grund der Unsymmetrie des sternförmigen Metallkörpers K kann es möglich sein, die Ausrichtung des sternförmigen Metallkörpers K durch eine Auswertung der Signale von der Vielzahl von Näherungsschaltern NS eindeutig zu ermitteln. Da der Abstand der Strahlen nicht einem Vielfachen des Näherungsschalterabstands ent spricht, kann diese Anordnung eine höhere Winkelauflösung ermöglichen. Des Weiteren kann eine solche Anordnung als ein Drehwinkelsensor geeignet sein.
Die einzelnen Näherungsschalter NS können von jedem Typ der oben beschriebenen Typen sein, und die Stromimpulse der Stromzufuhr zu der Sendespule S der Näherungsschalter NS können entweder alle gleichzeitig oder kreuzweise abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Ein sequentieller Betrieb reihum sollte aus Gründen eines möglichen Übersprechens benachbarter Näherungsschalter NS vermieden werden. Wenn Näherungsschalter NS verwendet werden, die mehr als eine Empfangsspule E umfassen, dann kann eine Vielzahl von Sendespulen S in einem Ring angeordnet werden und kann gleichphasig oder abwechselnd gegenphasig bzw. phasenverschoben angesteuert werden. Die Empfangsspulen E können zwischen den Sendespulen S angeordnet werden und können eine Spannung nur dann induzieren, wenn die Symmetrieeigenschaften des Feldlinienverlaufs durch einen lokal darüber liegenden Strahl des Metallsterns gestört werden.
Näherungsschalter mit nur einer Empfangsspule E sind ebenfalls für die Anordnung mit einer Vielzahl von Näherungsschaltern geeignet, wenn die Induktivität der einzelnen Spulen jeweils mit der Induktivität der benachbarten Spulen oder mit einem Durchschnittswert der Gesamtheit aller Spulen verglichen wird. Beispielsweise könnte jede Spule mit einem Kondensator und mit aktiven Bauelementen verschaltet sein, um einen LC-Oszillator zu bilden, und die LC-Oszillatoren könnten reihum einzeln nacheinander aktiviert werden. Das frequenzdemodulierte Summensignal aller Oszillatorschwingungen ergibt ein Abbild des sternförmigen Metallkörpers K, und die Phasenlage dieses Abbildes entspricht dem Drehwinkel.
Obwohl spezifische Konfigurationen und Anordnungen erörtert worden sind, sollte es klar sein, dass dies lediglich zu veranschaulichenden Zwecken erfolgt ist. Ein Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet wird erkennen, dass andere Konfigurationen und Anordnungen verwendet werden können, ohne dass von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Es wird einem Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung auch in einer Vielfalt von anderen Anwendungen verwendet werden kann.
Obwohl verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung oben beschrieben worden sind, sollte es klar sein, dass sie lediglich beispielshalber vorgelegt wurden und keine Beschränkung darstellen. Es wird den Fachleuten auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen bezüglich der Form und der Einzelheiten darin durchgeführt werden können, ohne dass von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Somit soll die Breite und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht durch irgendeines der oben beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern soll nur in Übereinstimmung mit den nachfolgenden Patentansprüchen und ihren Äquivalenten definiert sein.

Claims

Induktive Näherungsschaltervorrichtung, die eine Vielzahl von induktiven Elementen umfasst.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die induktiven Elemente in einer oder mehreren Metallisierungsebenen auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die induktiven Elemente monolithisch auf einem einzigen Chip oder Substrat der Näherungsschaltervorrichtung integriert sind.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die induktiven Elemente des Näherungsschalters als Spulen mit einer Vielzahl von Leiterbahnen oder Windungen und/oder als Antennen implementiert sind.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die wenigstens ein induktives Element umfasst, das mit einer schaltbaren Stromquelle gekoppelt ist, die so ausgelegt ist, dass sie Wechselstromimpulse für das induktive Element bereitstellen kann, um ein magnetisches Streufeld zu erzeugen, das das induktive Element umschließt, so dass ein Strom in das induktive Element während einer anschließenden Relaxation des magnetischen Streufeldes induziert wird, wenn die schaltbare Stromquelle abgeschaltet wird.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die des Weiteren eine Auswerteschaltung zum Auswerten von Ausgangssignalen der induktiven Elemente umfasst.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteschaltung und die induktiven Elemente auf dem gleichen Substrat oder Chip der Näherungsschaltervorrichtung integriert sind.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 6, die wenigstens ein induktives Element umfasst, das von einem impulsförmigen oder einem sinusförmigen Strom durchflossen wird, wobei die Auswerteschaltung so ausgelegt ist, dass sie den zeitlichen Verlauf der Spannung auswerten kann, die in das wenigstens eine induktive Element nach dem Abschalten des impulsförmigen oder sinusförmigen Stroms induziert wird.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die wenigstes eine Sendespule und wenigstens eine Empfangsspule umfasst, die auf dem gleichen Substrat oder Chip der Näherungsschaltervorrichtung angeordnet sind.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sendespule und die Empfangsspule in einer Art und Weise derart angeordnet sind, dass ein magnetisches Streufeld, das von der wenigstens einen Sendespule erzeugt wird, die wenigstens eine Empfangsspule umschließt und eine Spannung oder einen Strom in die wenigstens eine Empfangsspule induziert.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule einen größeren Querschnitt als die Leiterbahnen oder Windungen der Empfangsspulen aufweisen.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Auswerteschaltung so ausgelegt ist, dass sie die Verläufe der induzierten Spannung oder des induzierten Stroms der Empfangsspulen auswerten kann, um Metalle umfassende Objekte zu ermitteln, die in dem magnetischen Streufeld vorhanden sind, das von der Sendespule der Näherungsschaltervorrichtung erzeugt wird.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 9 bis 12, wobei die Auswerteschaltung so ausgelegt ist, dass sie die Verläufe der induzierten Spannung oder des induzierten Stroms der Empfangsspulen zur Unterscheidung zwischen Objekten, die unterschiedliche ferromagnetische Metalle umfassen, oder nichtmagnetischen Metallen, die in dem magnetischen Streufeld vorhanden sind, das von der Sendespule erzeugt wird, auswerten kann.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Auswerteschaltung so ausgelegt ist, dass sie die Verläufe der induzierten Spannung oder des induzierten Stroms der Empfangsspulen zur Unterscheidung zwischen dem Vorhandensein von kleineren Metallkörpern in der engeren Nachbarschaft der Näherungsschaltervorrichtung und von größeren Metallkörpern in einem weiter entfernten Abstand von der Näherungsschaltervorrichtung auswerten kann.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Sendespule und die Empfangsspule so konfiguriert sind, dass sie die gleiche Induktivität umfassen.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, die eine Sendespule, die so ausgelegt ist, dass sie ein magnetisches Streufeld erzeugt, das ein Metallobjekt erreicht, das in der Nähe der Näherungsschaltervorrichtung vorhanden ist, und zwei Empfangsspulen umfasst, die so angeordnet und ausgelegt sind, dass bei einem ungestörten magnetischen Streufeld die Spannungen, die von dem magnetischen Streufeld in die Empfangsspulen induziert werden, im Wesentlichen gleich sind.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei die zwei Empfangsspulen so angeordnet und ausgelegt sind, dass sich dann, wenn ein Metallkörper in dem magnetischen Streufeld vorhanden ist, das Magnetfeld, das durch eine der zwei Emp fangsspulen strömt, stärker ändert als das Magnetfeld, das durch die andere Empfangsspule strömt.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei die Auswerteschaltung so ausgelegt ist, dass sie die Annäherung eines Metallobjekts in der Nähe der Näherungsschaltervorrichtung an einer Differenz zwischen den Verläufen der induzierten Spannung oder des induzierten Stroms der Empfangsspulen erkennen kann.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei die Auswerteschaltung einen Differenzverstärker zum Ermitteln einer Differenz zwischen den Verläufen der induzierten Spannung oder des induzierten Stroms der Empfangsspulen umfasst.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, wobei die Leiterbahnen oder Windungen der Empfangsspulen jeweils mit dem Differenzverstärker gekoppelt sind, wobei der Differenzverstärker so ausgelegt ist, dass er eine Differenz der Spannungen erkennen kann, die in die Empfangsspulen induziert werden.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 20, wobei die Empfangsspulen komplementär in Reihe miteinander geschaltet sind, so dass sich ihre induzierten Spannungen in einem ungestörten magnetischen Streufeld, wenn sich kein Metallobjekt in der Nähe des Näherungsschalters befindet, im Wesentlichen aufheben, und dass sich diese in dem Fall eines gestörten Streufeldes auf Grund eines Metallobjekts oder Metallkörpers, das bzw. der sich in der Nähe des Näherungsschalters befindet, nicht aufheben.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 21, wobei die Empfangsspulen mit einem Kondensator gekoppelt sind, um LC-Oszillatorschaltungen zu bilden, die ein induktives Element und ein kapazitives Element umfassen.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die LC-Oszillatorschaltungen so ausgelegt sind, dass sie abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden können, und die Auswerteschaltung so ausgelegt ist, dass sie eine Frequenzmodulation eines Summensignals auswerten kann, das aus einer Addition von Ausgangssignalen der LC-Oszillatorschaltungen abgeleitet ist.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteschaltung eine Phasenregelkreis-Schaltung zur Auswertung der Frequenzmodulation umfasst.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Phasenregelkreis so ausgelegt ist, dass er eine Frequenzdemodulation eines Summensignals durchführen kann, das aus einer Addition der Ausgangssignale der LC-Oszillatorschaltungen abgeleitet ist.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteschaltung des Weiteren eine aktive Gleichrichterschaltung umfasst, die so ausgelegt ist, dass sie einen Demodulatorausgang des Phasenregelkreises in ein gleichgerichtetes Signal umwandeln kann.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die aktive Gleichrichterschaltung mit einem Taktgenerator zur Synchronisierung der gleichrichtenden Signalverarbeitung mit dem Taktsignal gekoppelt ist.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteschaltung des Weiteren einen Schwellwertdetektor umfasst, der so ausgelegt ist, dass er das gleichgerichtete Signal auswerten kann.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 28, wobei die Empfangsspulen in einer Ebene angeordnet sind, die parallel zu der Ebene der Sendespule ist, so dass die Sendespule und die Empfangsspulen in einer planaren Art und Weise integriert auf einem Substrat oder einem Chip der Näherungsschaltervorrichtung angeordnet sind.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 29, wobei sich ein Teil des Querschnitts der Empfangsspulen innerhalb der Abmessungen der Sendespule befindet und sich ein anderer Teil des Querschnitts der Empfangsspulen außerhalb der Abmessungen der Sendespule befindet.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Empfangsspulen in einer versetzt angeordneten Art und Weise hinsichtlich der Sendespule derart angeordnet sind, dass sich bei einem ungestörten Streufeld der magnetische Fluss, der die Empfangsspule außerhalb und innerhalb der Sendespule durchflutet, im Wesentlichen aufhebt.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 31, wobei die Sendespule Leiterbahnen oder Windungen mit unterschiedlichen Abständen umfasst, so dass die Sendespule ein unsymmetrisches magnetisches Streufeld erzeugt.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 32, wobei die Sendespule mit der schaltbaren Stromquelle verbunden ist, die so ausgelegt ist, dass sie den Strom, der durch die Sendespule fließt, in einer impulsförmigen oder in einer sinusförmigen Art und Weise ein- und ausschalten kann.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Sendespule und die Empfangsspulen in einer derartigen Art und Weise angeordnet sind, dass bei einem ungestörten magnetischen Streufeld ein überwiegender Teil des magnetischen Flusses an den Empfangsspulen vorbei strömt und so wenig magnetischer Fluss wie möglich durch die Leiterbahnen oder Windungen der Empfangsspulen strömt.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die schaltbare Stromquelle so ausgelegt ist, dass sie mit Hilfe der Sendespu le ein magnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz erzeugen kann, das nicht wesentlich in einen Metallkörper eindringt, der in dem Magnetfeld vorhanden ist.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 35, wobei die Sendespule unsymmetrische Leiterbahnen oder Windungen mit einem länglichen Layout umfasst, wodurch ein unsymmetrisches Magnetfeld verursacht wird.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei Abschnitte der Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule einen größeren Durchmesser als andere Abschnitte der Leiterbahnen oder Windungen der Sendespule umfassen.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Vielzahl von induktiven Näherungsschaltern umfasst.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 38, wobei die Vielzahl von induktiven Näherungsschaltern, die in einem Ring angeordnet sind, so ausgelegt sind, dass sie gleichzeitig oder kreuzweise ein- und ausgeschaltet werden können.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 38 oder 39, wobei die Vielzahl von induktiven Näherungsschaltern so ausgelegt ist, dass sie gleichphasig oder gegenphasig angesteuert werden können.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 38, 39 oder 40, wobei die Vielzahl von induktiven Näherungsschaltern in einem Kreis angeordnet ist, um einen Drehwinkelsensor bereitzustellen.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 41, wobei die Vielzahl von induktiven Näherungsschaltern in einer Matrix angeordnet ist, um die Formen und/oder zweidimensionalen Bewegungen von Metallkörpern erkennen zu können, die in der Nähe der Näherungsschaltermatrix positioniert sind.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 38, wobei die Auswerteschaltung so ausgelegt ist, dass sie Ausgangssignale der induktiven Näherungsschalter quantitativ auswerten kann, um dreidimensionale Abbilder von Metallobjekten zu erkennen, die in der Nähe der Näherungsschaltermatrix positioniert sind.
Induktive Näherungsschaltervorrichtung nach Anspruch 38, wobei die Vielzahl von induktiven Näherungsschaltern auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat angeordnet ist.
System, das eine Näherungsschaltervorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Näherungsschaltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen eines magnetischen Streufeldes mit Hilfe von wenigstens einer Sendespule derart, dass das magnetische Streufeld wenigstens eine Empfangsspule umgibt und dabei eine Spannung oder einen Strom in die wenigstens eine Empfangsspule induziert; Auswerten der Verläufe der induzierten Spannung oder des induzierten Stroms der wenigstens einen Empfangsspule; und dadurch Ermitteln von Metalle umfassenden Objekten, die in dem magnetischen Streufeld vorhanden sind, das von der Sendespule der Näherungsschaltervorrichtung erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, das des Weiteren die folgenden Schritte umfasst: Erfassen eines Induktivitätsunterschieds einer Vielzahl von Empfangsspulen in dem Näherungsschalter, und dadurch das Erfassen der Position von Metallobjekten, die sich in der Nähe der Näherungsschaltervorrichtung befinden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, das des Weiteren die folgenden Schritte umfasst: Verbinden der Empfangsspulen mit gleichen Kondensatoren, um LC-Oszillatorschaltungen zu bilden; und Vergleichen der Phasenlage der Schwingungen bei der gleichen Frequenz.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, das des Weiteren den folgenden Schritt umfasst: Aktivieren und Deaktivieren der LC-Oszillatorschaltungen in einer abwechselnden Art und Weise gesteuert von einem Taktgenerator.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, das des Weiteren den folgenden Schritt umfasst: Erfassen eines Induktivitätsunterschieds der Empfangsspulen durch das Vergleichen der Induktivitätswerte der Empfangsspulen miteinander in einer Brückenschaltung.
Verfahren zum Herstellen einer Näherungsschaltervorrichtung, das den Schritt des Bereitstellens einer Vielzahl von induktiven Elementen umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, das des Weiteren den Schritt des Anordnens der Vielzahl von induktiven Elementen in einer oder mehreren Metallisierungsebenen auf einem Substrat oder Chip umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Näherungsschaltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, das des Weiteren den Schritt des Integrierens der Vielzahl von induktiven Elementen monolithisch auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat der Näherungsschaltervorrichtung umfasst.
System, das eine Steuervorrichtung und/oder Regelungsvorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Näherungsschaltervorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche umfasst.