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Die Erfindung betrifft induktive Näherungsschalter in einem metallischen Gehäuse, insbesondere induktive Ganzmetall-Näherungsschalter.
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Induktive Näherungsschalter reagieren auf die Annäherung elektrisch leitfähiger Objekte, insbesondere von Metallen, und sind in der Automatisierungstechnik weit verbreitet. Sie werden in den verschiedensten Gehäusebauformen auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. Besonders beliebt sind zylindrische Gehäuse mit Außengewinde. Die Durchmesser liegen i. Allg. zwischen 8 mm und 30 mm. Für raue Betriebsbedingungen werden Metallgehäuse bevorzugt. Hierbei wird zwischen Ganzmetallschaltern und solchen mit einer Frontfläche aus Keramik oder Kunststoff unterschieden.
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Wie sich gezeigt hat, werden von den Zuleitungen elektromagnetische Störungen „eingefangen” und über das Metallgehäuse und dessen Befestigungsvorrichtung gegen Erde bzw. Masse abgeleitet. Wegen der großen Fläche der Empfangsspule und deren enger kapazitiver Kopplung mit dem Gehäuse kann ein Teil des Störsstroms über die Sensorelektronik fließen und Fehlschaltungen bei der Auswertung des Sensorsignals verursachen. Bei einer nichtmetallischen, beispielsweise keramischen Frontfläche fällt dieser Effekt nicht so stark ins Gewicht, weil der Störstrom ohne nennenswerten Einfluss auf die Sensorspule seitlich über das Metallgehäuse abfließen kann. Bei einem Ganzmetallgehäuse mit einer dicht hinter der metallischen Frontfläche angeordnete großflächigen Sensorspule ist diese stark mit dem Gehäuse gekoppelt, so dass der der Störstrom bevorzugt über die Sensorspule und die Frontfläche und schließlich über die Außenwand seitlich gegen Erde abfließt.
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Eine galvanische Verbindung der Zuleitung mit dem Gehäuse ermöglicht zwar die Ableitung der Störströme, schafft aber ein neues Problem, weil die Anforderung für die Schutzklasse II nach DIN EN 61140 „Alle spannungsführenden Teile haben neben der Betriebs-Isolierung noch eine weitere Isolation.” nicht erfüllt wird.
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Um diese Forderung zu erfüllen, wäre eine normkonforme galvanisch vom Gehäuse getrennte Abschirmung erforderlich.
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Die
DE3438998A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einer frontseitigen Kunststoffschicht und einen geschlitzten zylindrischen Abschirmmantel.
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Die
DE4102542A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einem zum Auslöser hin offenen Abschirmbecher.
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Die
DE4210018C2 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einer ferritfreien Spule. Die Spule ist von einer gegenüber dem Gehäuse elektrisch isolierten Abschirmung umgeben.
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Die
DE20019542U1 zeigt einen in einem Kunststoffgehäuse gekapselten induktiven Näherungsschalter mit einem Abschirmvlies auf der Frontfläche.
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Die
DE20211087U1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter in einem von innen beschichteten Kunststoffgehäuse.
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Die
DE10318350C5 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit gedruckten Spulen auf der Vorder- und Rückseite einer doppelt kaschierten Leiterplatte. Die Leiterplatte weist Abschirmleiterbahnen
18 auf, deren radial einwärts gerichtete Enden sowohl miteinander als auch mit Masse verbunden sind.
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Die
DE 10 2004 048 444 A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit gedruckter Spule und metallischen Front- und Seitenflächen in verschiedenster Ausführung. Dabei wird neben der Abschirmung auch eine Vorbedämpfung erreicht, die den Einfluss einer metallischen Einbauumgebung auf den Schaltabstand verringert. Die Abschirmflächen sind geschlitzt, um parasitäre Ringströme zu vermeiden.
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Die aus dem genannten Stand der Technik bekannten Abschirmmaßnahmen sind entweder mit zusätzlichem Material- und/oder Fertigungsaufwand verbunden, oder bietet wie in der
DE10318350C5 gezeigt, weder eine flächendeckende noch eine seitliche Abschirmung.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen induktiven Näherungsschalter anzugeben, der diese Nachteile vermeidet. Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter soll eine flächendeckende Abschirmung aufweisen, ohne dass Sensorfläche verloren geht. Für die frontseitige und für die seitliche Abschirmung bzw. Vorbedämpfung sollen keine zusätzliche Bauelemente oder Fertigungsschritte erforderlich sein.
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Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die Sensorspule als mehrlagige Keramikspule auszuführen und mindestens eine Lage als Abschirmung zu nutzen. Erfindungsgemäß wird die Keramikspule in LTCC-Technik ausgeführt. Um den Einfluss der Einbausituation auf den Schaltabstand zu verringern, soll eine seitliche Abschirmung auch als Vorbedämpfungshülse wirken. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist in oder an der Rückseite der Keramikspule ein Ferritkern angeordnet.
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Bei der LTCC-Keramik (Low Temperature Cofired Ceramics) handelt es sich um eine Niedertemperatur-Einbrand-Keramik. Mit dieser Technologie können mehrlagige Schaltungen mit Leiterbahnen, Kondensatoren und Spulen erzeugt werden. Diese Elemente werden durch Siebdruck oder photochemische Prozesse auf ungebrannte Keramikfolien aufgebracht. Sie werden einzeln strukturiert, gestapelt und laminiert. Danach wird ein bestimmtes an die jeweiligen Materialien angepasstes Sinterprofil mit Sintertemperaturen zwischen 850°C und 900°C angewandt. So entsteht ein überwiegend aus Keramik bestehendes monolithisches Element, das elektrische Bauelemente, insbesondere die Spule, ggf. Kondensatoren und Widerstände, aber auch die Abschirmung und die Anschlusskontakte enthält. Die Anzahl der Lagen kann sehr hoch sein. In der Praxis sind 20 bis 30 Lagen sinnvoll.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 den Stand der Technik,
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2 einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter in vereinfachter Darstellung,
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3 einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter in detaillierter Darstellung.
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Die 1 betrifft den Stand der Technik. Bei dem oben gezeigten Näherungsschalter mit nichtmetallischer Frontfläche fließt der Störstrom ohne nennenswerten Einfluss auf die Sensorspule seitlich über das Metallgehäuse. Der in der Mitte dargestellte Näherungsschalter besitzt ein Ganzmetallgehäuse. Hier wird die o. g. Problematik noch einmal deutlich. Der Störstrom wird kapazitiv über die Sensorspule in die Frontfläche eingekoppelt und fließt über das Metallgehäuse gegen Erde ab. Bei dem unten gezeigten Näherungsschalter ist das Gehäuse galvanisch mit der Sensorelektronik verbunden. Hier werden zwar die Störungen abgeleitet, aber die galvanische Kopplung mit dem Gehäuse widerspricht der Anforderung für die Schutzklasse II nach DIN EN 61140 „Alle spannungsführenden Teile haben neben der Betriebs-Isolierung noch eine weitere Isolation.” Um diese Forderung zu erfüllen, ist eine normkonforme galvanisch vom Gehäuse getrennte Abschirmung erforderlich.
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Die 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter in vereinfachter Darstellung. Der Keramikkörper enthält eine Spule 3 und eine gesonderte Abschirmlage 6 auf. Die Abschirmlage 6 ist unten noch einmal gesondert dargestellt. Ihre Gitterstruktur soll die Dämpfung durch parasitäre Wirbelströme gering halten.
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Die 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter in einer detaillierten Darstellung. Die in das Anschlusskabel 9 eingekoppelte elektromagnetische Störung fließt über die Leiterplatte durch die optional vorhandene Bedämpfungshülse 8 bzw. die Abschirmlage 6 in das Metallgehäuse 1 und schließlich gegen Erde ab. Um die Abschirmlage 6 sichtbar zu machen, ist die vorzugsweise metallische Frontfläche des Näherungsschalters nicht dargestellt. Weil die Vorderseite der Sensorspule vollständig von der Abschirmlage 6 bedeckt ist, liegen sowohl ihre Windungen als auch die störempfindliche Empfangseinheit 4 nicht mehr im Strompfad, obwohl die ganze Frontfläche als Sensorfläche zu Verfügung steht.
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Die Erfindung ist auch für induktive Näherungsschalter mit nichtmetallischer Frontscheibe vorteilhaft. In diesem Fall kann der Störstrom zumindest teilweise über die Vorbedämpfungshülse 8 nach außen gegen Erde abfließen. Erfindungsgemäß können die Abschirmlage 6 aber auch die Vorbedämpfungshülse 8 in Teilbereiche zerlegt und jeweils mit elektrischen Anschlüssen versehen werden. So können die aus dem Stand der Technik bekannten Schlitze zur Unterdrückung parasitärer Ringströme nicht nur erzeugt, sondern, auch variabel ausgestaltet werden. Darüber hinaus sind Betriebszustände mit unterschiedlicher Vorbedämpfung aber auch mehr oder weniger stark abgeschirmter und damit bedämpfter Spule möglich.
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Der Ferrit 7 kann sich auch ein ferritischer Schichtaufbau innerhalb der Keramik sein. Erfindungsgemäß ragt er nicht seitlich über den Keramikkörper hinaus.
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Die Erfindung betrifft einen induktiver Näherungsschalter in einem zumindest teilweise metallischem Gehäuse 1. Er enthält einen Generator 2 zur Erzeugung eines Sendesignals, sowie mindestens eine Spule 3 zur Erzeugung eines durch ein leitfähiges Target beeinflussbaren magnetischen Wechselfeldes. Weiterhin weist er eine elektronische Schaltung auf, die eine Empfangseinheit 4 zur Bewertung des magnetischen Wechselfeldes und einer Steuereinheit 5 zur Erzeugung eines Schaltsignals enthält. Erfindungsgemäß ist die Spule 3 als Niedertemperatur-Einbrand-Keramikkörper mit mehreren Leiterbahnebenen ausgebildet. Ihr Keramikkörper enthält mindestens eine weitere Leiterbahnebene, die als Abschirmlage 6 zur Ableitung elektromagnetische Störungen gegen Erde dient und zu diesem Zweck mit der Gerätemasse verbunden ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters gering zu halten, ist die Abschirmlage 6 nicht durchgängig ausgeführt, sondern weist Bereiche mit elektrisch leitfähigen und elektrisch nicht leitfähigen Abschnitten auf. So kann die Dämpfung durch parasitäre Wirbelströme reduziert und damit die Empfindlichkeit verbessert werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der der Keramikkörper eine Vorbedämpfungshülse 8 auf. Sie dient einerseits zur Vorbedämpfung, aber auch zur Störableitung bei Geräten mit einer Frontscheibe aus Keramik oder Kunststoff. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Keramikkörper ferritische Schichten enthalten oder mit einem Ferrit 7 verbunden sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Generator
- 3
- Spule
- 4
- Empfangseinheit
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Abschirmlage
- 7
- Ferrit
- 8
- Vorbedämpfungshülse
- 9
- Anschlusskabel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3438998 A1 [0006]
- DE 4102542 A1 [0007]
- DE 4210018 C2 [0008]
- DE 20019542 U1 [0009]
- DE 20211087 U1 [0010]
- DE 10318350 C5 [0011, 0013]
- DE 102004048444 A1 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 61140 [0004]
- DIN EN 61140 [0022]
