DE102012214330B3

DE102012214330B3 - Inductive proximity switch for use as contactless working electronic switching device in automatic control engineering field, has receiving coils that are arranged in outer region of winding body

Info

Publication number: DE102012214330B3
Application number: DE201210214330
Authority: DE
Inventors: Markus Preg; Jochen Gundlach; Reinhard Teichmann
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2032-08-11

Abstract

The switch has an oscillator (1) and a transmitter coil (2) for generating an alternating magnetic field, and a receiving circuit (3) comprising two receiving coils (4, 5) operating in differential connection for detecting a metallic trigger (6). The receiving coils are arranged such that induced receiving voltages are cancelled out to one another when the trigger is at a desired switching distance. The coils lie in a common winding body (7) and are completely embedded in the winding body. The receiving coils are arranged in an outer region of the winding body. The winding body is designed as low temperature co-fired ceramic or high temperature co-fired ceramic.

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden induktiven Näherungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a non-contact inductive proximity switch according to the preamble of patent claim 1.

Induktive Näherungsschalter werden als berührungslos arbeitende elektronische Schaltgeräte vor allem in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Insbesondere sind nach dem transformatorischen Prinzip arbeitende induktive Näherungsschalter bekannt. Sie sind in der Automatisierungstechnik weit verbreitet und werden deshalb in großer Stückzahl produziert. Die meisten Geräte werden mit einem fest eingestellten Schaltabstand ausgeliefert.Inductive proximity switches are used as non-contact electronic switching devices, especially in automation technology. In particular, according to the transformer principle working inductive proximity switches are known. They are widely used in automation technology and are therefore produced in large quantities. Most devices are shipped with a fixed switching distance.

Mit einer Sendespule wird ein elektromagnetisches von einem metallischen Auslöser beeinflussbares Magnetfeld erzeugt. Die Beeinflussung des Magnetfeldes durch den metallischen Auslöser wird elektronisch ausgewertet und in als binäres Schaltsignal über eine Schaltstufe ausgegeben. Solche Schaltgeräte werden in den verschiedensten Ausführungen unter anderem auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. Zur Realisierung des transformatorischen Prinzips sind mindestens eine Sendespule und eine induktiv mit der Sendespule gekoppelte Empfangsspule notwendig. Die wesentliche Messgröße ist der transformatorische Koppelfaktor zwischen den beiden Spulen. Der transformatorische Koppelfaktor der beiden Spulen ist vom metallischen Auslöser beeinflussbar. Der Grad der Beeinflussung wirkt sich auf das Signal an der Empfangsspule aus. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Auslösers können auch Phasenverschiebungen entstehen, die entsprechend dem Auswerteverfahren in unterschiedlicher Weise zum Messergebnis beitragen. Beim Eindringen eines auch als Target, Schalt- oder Steuerfahne bezeichneten metallischer Auslösers in den Überwachungsbereich des Näherungsschalters wird, wie bereits ausgeführt, der transformatorische Koppelfaktor des von den beiden Spulen gebildeten Transformators beeinflusst und abhängig von der konkreten Ausführungsform des Näherungsschalters entweder ein Schaltsignal ausgelöst wenn das Signal an der Sendespule oder an der Empfangsspule einen bestimmten Wert überschreitet, oder wenn es diesen Wert unterschreitet.With a transmitting coil, an electromagnetic magnetic field can be influenced by a metallic trigger. The influence of the magnetic field by the metallic trigger is evaluated electronically and output as a binary switching signal via a switching stage. Such switching devices are manufactured and distributed in various designs, inter alia, by the Applicant. To implement the transformer principle, at least one transmitting coil and one receiving coil inductively coupled to the transmitting coil are necessary. The essential measure is the transformer coupling factor between the two coils. The transformer coupling factor of the two coils can be influenced by the metallic release. The degree of influence affects the signal at the receiving coil. Depending on the characteristics of the trigger, it is also possible for phase shifts to occur, which contribute to the measurement result in different ways in accordance with the evaluation method. When penetrating a designated as a target, switching or control flag metallic trigger in the surveillance area of the proximity switch, as already stated, the transformer coupling factor of the transformer formed by the two coils influenced and depending on the specific embodiment of the proximity switch either a switching signal when the Signal on the transmitter coil or on the receiver coil exceeds a certain value, or if it falls below this value.

Da die Bewertung meist anhand der Signalamplitude erfolgt, wird das hochfrequente Signal gleichgerichtet, geglättet und einem Komparator zugeführt. Es kann aber auch digitalisiert und in einem Mikrocontroller verarbeitet werden.Since the evaluation is usually based on the signal amplitude, the high-frequency signal is rectified, smoothed and fed to a comparator. It can also be digitized and processed in a microcontroller.

Dabei kann sowohl die Ansteuerung der Sendespule als auch die Bewertung des Einflusses des metallischen Auslösers auf unterschiedliche Art erfolgen. In manchen Fällen ist die Sendespule Bestandteil eines durch den metallischen Auslöser beeinflussbaren Oszillators. Es gibt aber auch von einem HF-Generator fremdgesteuerte Sendespulen. Die Wechselwirkung mit dem metallischen Auslöser ist allerdings auf das Nahfeld beschränkt. Deshalb nimmt sie etwa mit der 3-fachen Potenz des Schaltabstandes ab. Um auch noch geringe Wechselwirkungen mit dem metallischen Auslöser nachweisen zu können, ist es vorteilhaft, das Signal im unbeeinflussten Zustand zu kompensieren und nur die vom Auslöser hervorgerufenen Änderungen auszuwerten. Dazu werden vorzugsweise zwei Empfangspulen in Differenzschaltung betrieben. Der Aufbau wird so gewählt, dass eine der beiden Spulen stärker vom Auslöser beeinflusst wird als die andere. Durch Nullabgleich im unbeeinflussten Zustand erhält man eine sehr empfindliche Differenzspulenanordnung. Diese wird so abgeglichen, dass sich die Signale der beiden Empfangsspulen im unbeeinflussten, bzw. in einem bestimmten Zustand gegenseitig aufheben. Je besser dieser Abgleich gelingt, umso höher kann man das Sensorsignal verstärken, ohne dass es zu einer Übersteuerung des Verstärkers kommt. Da das Magnetfeld und damit auch die Wechselwirkung der Spulenanordnung mit dem metallische Auslöser mit wachsender Entfernung schnell abnimmt, können Temperatureinflüsse, insbesondere Lageänderungen der Kupferwicklungen, aber auch der Temperaturgang der übrigen beteiligten Materialien und Bauelemente Signaländerungen hervorrufen, die in der gleichen Größenordnung wie das zu erwartende Sensorsignal liegen. Deshalb sind höhere Schaltabstände nur dann erreichbar, wenn die Temperaturabhängigkeit der Anordnung über den gesamten Arbeitstemperaturbereich kompensiert werden kann. Dieses Gleichgewicht kann schon durch Verguß der Geräte während der Fertigung, aber auch durch die Einbausituation am Einsatzort gestört werden. Ein werksseitiger Abgleich der Differenzspulenanordnung bei der Fertigung kann das Problem nur für einen engen Temperaturbereich beseitigen.In this case, both the control of the transmitting coil and the evaluation of the influence of the metallic trigger can be done in different ways. In some cases, the transmitting coil is part of an oscillator which can be influenced by the metallic trigger. But there are also externally controlled transmission coils by an HF generator. However, the interaction with the metallic trigger is limited to the near field. Therefore, it decreases approximately with the 3-fold power of the switching distance. In order to be able to detect even minor interactions with the metallic trigger, it is advantageous to compensate the signal in the uninfluenced state and to evaluate only the changes caused by the trigger. For this purpose, preferably two receiver coils are operated in differential circuit. The design is chosen so that one of the two coils is more affected by the trigger than the other. Zeroing in the uninfluenced state results in a very sensitive differential coil arrangement. This is adjusted so that cancel the signals of the two receiving coils in the uninfluenced, or in a particular state each other. The better this balance is achieved, the higher the sensor signal can be amplified without the amplifier overdriving. Since the magnetic field and thus also the interaction of the coil assembly with the metallic release rapidly decreases with increasing distance, temperature influences, in particular changes in position of the copper windings, but also the temperature coefficient of the other materials and components involved can cause signal changes in the same order of magnitude as the expected Sensor signal lie. Therefore, higher switching distances can only be achieved if the temperature dependence of the arrangement over the entire operating temperature range can be compensated. This balance can be disturbed by encapsulation of the equipment during production, but also by the installation situation at the site. A factory adjustment of the differential coil assembly in manufacturing can eliminate the problem only for a narrow temperature range.

Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, und gleichzeitig unerwünschte Einflüsse zu unterdrücken, wird in der DE4102542A1 vorgeschlagen, zwei Empfangsspulen in unmittelbarer Differenzschaltung zu betreiben. Eine Spule dient dabei als eigentliche Empfangsspule und die andere als vom Auslöser weniger, im Idealfall unbeeinflusste Referenzspule. Die beiden Empfangsspulen liegen hier im Rückkopplungszweig eines Meißner-Oszillators. Bewertet wird die Oszillatoramplitude. Der Schaltabstand wird erreicht, wenn sich auf Grund der Wechselwirkung mit einem metallischen Auslöser die Differenzwechselspannungen der beiden Spulen aufheben. In diesem Falle ändert der Oszillator seinen Schwingungszustand sprunghaft. Die Anordnung ist deshalb sehr empfindlich, aber auch entsprechend störanfällig.In order to increase the sensitivity, and at the same time to suppress unwanted influences, is in the DE4102542A1 proposed to operate two receiving coils in the direct differential circuit. One coil serves as the actual receiving coil and the other as the trigger less, ideally unaffected reference coil. The two receiver coils are here in the feedback branch of a Meissner oscillator. The oscillator amplitude is evaluated. The switching distance is reached when, due to the interaction with a metallic release, the differential AC voltages of the two coils cancel each other out. In this case, the oscillator changes its vibrational state abruptly. The arrangement is therefore very sensitive, but also susceptible to interference.

Deshalb wird in der DE10012830A1 vorgeschlagen, das auszuwertende Signal mit der Oszillatorfrequenz zu beaufschlagen, um so die Störsignale auszufiltern. Des Weiteren wird vorgeschlagen, den verbleibenden Offset des Meßsignals durch Addition des invertierten Oszillatorsignals vom Meßsignal zu subtrahieren. Nachteilig ist die Begrenzung der maximal erreichbaren Schaltfrequenz durch das Abreißen und erneute Anschwingen des Oszillators. Die Differenzspulenanordnung ist, wie in der DE10012830A1 gezeigt, im allgemeinen symmetrisch aufgebaut, d. h. die Referenzspule hat den gleichen Durchmesser und auch den gleichen Abstand zur Sendespule wie die eigentliche Empfangsspule. Denn nur so kann die für hochempfindliche Geräte erforderliche thermische Stabilität erreicht werden. Bei unterschiedlichen Abständen zur Sendespule sind die induktiven Koppelfaktoren wegen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Trägermaterialien Funktionen der Temperatur, die aufwändig zu korrigieren wäre. Wie oben ausgeführt, sind hier selbst die Lageänderungen der Kupferwicklungen auf Grund ihrer thermischen Ausdehnung zu beachten. Die symmetrische Differenzspulenanordnung ist aber auch deshalb problematisch, weil die Entkopplung der Referenzspule nur unzureichend gelingt. Die Referenzspule wird vor allem wegen Ihres Durchmessers nur unzureichend durch die Sendespule vom Auslöser abgeschirmt. Die verbleibende induktive Kopplung der Referenzspule mit dem Auslöser beeinflusst notwendigerweise das Meßsignal.That is why in the DE10012830A1 proposed, the signal to be evaluated with the To apply oscillator frequency, so as to filter out the interference signals. Furthermore, it is proposed to subtract the remaining offset of the measurement signal by adding the inverted oscillator signal from the measurement signal. The disadvantage is the limitation of the maximum achievable switching frequency by tearing off and re-oscillation of the oscillator. The differential coil arrangement is, as in the DE10012830A1 shown, generally symmetrical, ie the reference coil has the same diameter and also the same distance to the transmitting coil as the actual receiving coil. Only then can the thermal stability required for highly sensitive devices be achieved. At different distances to the transmitting coil, the inductive coupling factors due to the thermal expansion coefficient of the substrates functions of the temperature, which would be expensive to correct. As stated above, even here the changes in position of the copper windings due to their thermal expansion are to be considered. However, the symmetrical differential coil arrangement is also problematic because the decoupling of the reference coil succeeds only insufficient. The reference coil is only insufficiently shielded by the transmitter coil from the trigger, above all because of its diameter. The remaining inductive coupling of the reference coil with the trigger necessarily affects the measurement signal.

Aus diesem Grund wird in der DE10350733B4 eine Anordnung mit zwei voneinander entkoppelten Transformatoren (Spulenpaaren) vorgeschlagen. So wird der Einfluss des Auslösers auf die Referenzspule weitgehend ausgeschlossen. Allerdings ist nun eine zweite Sendespule erforderlich. Nachteilig sind hierbei der materielle Aufwand für die zusätzliche Sendespule und der Platzbedarf für die zwei voneinander entkoppelten, d. h. vorzugsweise um 90° gegeneinander versetzten Spulenpaare.For this reason, in the DE10350733B4 an arrangement with two mutually decoupled transformers (coil pairs) proposed. Thus, the influence of the trigger on the reference coil is largely excluded. However, now a second transmission coil is required. Disadvantages here are the material expense for the additional transmitting coil and the space required for the two decoupled from each other, ie preferably offset by 90 ° to each other coil pairs.

Die DE102010009576A1 weist auf die Möglichkeit hin, Keramikspulen zur Verringerung der äußeren Einflüsse auf die Spulenparameter einzusetzen.The DE102010009576A1 points to the possibility of using ceramic coils to reduce the external influences on the coil parameters.

Die DE102011088752A1 zeigt eine als mehrlagige Keramikspule ausgeführte Sensorspule, wobei mindestens eine Lage als Abschirmung oder zur seitlichen Vorbedämpfung wirken. So sollen Störungen abgeleitet und der Einfluss der Einbausituation verringert werden.The DE102011088752A1 shows a designed as a multilayer ceramic coil sensor coil, wherein at least one layer act as a shield or for lateral pre-damping. In this way, disturbances are to be derived and the influence of the installation situation to be reduced.

Die DE102012203449A1 nennt einen von einer metallischen Kapsel umgebenen keramischen Spulenträger, sowie die Möglichkeit, die Spule nebst Ferritkern vollständig in Glas einzuschmelzen, um so den Umgebungseinfluss zu verringern.The DE102012203449A1 mentions a ceramic coil support surrounded by a metallic capsule, as well as the possibility of completely melting the coil together with the ferrite core into glass in order to reduce the environmental impact.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, und einen kompakten, langzeitstabilen und temperaturunempfindlichen induktiven Näherungsschalter anzugeben.The object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art, and to provide a compact, long-term stable and temperature insensitive inductive proximity switch.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.This object is achieved by the features specified in claim 1. In the subclaims advantageous embodiments of the invention are given.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, alle drei Spulen der Differenzspulenanordnung in einem monolithischen Spulenkörperblock mit hoher Maßhaltigkeit und geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterzubringen. In vorteilhafter Weise besteht der Spulenkörperbloch aus einer LTCC-Glaskeramik, Low Temperature Co-fired Ceramics, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6–8 ppm/K und die gewünschte hohe Maßhaltigkeit aufweist.The essential idea of the invention is to accommodate all three coils of the differential coil assembly in a monolithic bobbin block with high dimensional accuracy and low thermal expansion coefficient. Advantageously, the bobbin hole consists of an LTCC glass ceramic, Low Temperature Co-fired Ceramics, which has a thermal expansion coefficient of 6-8 ppm / K and the desired high dimensional stability.

Die bekannten Leiterplattenspulen auf der Grundlage des Leiterplattenmaterials FR4 erreichen nicht die notwendige thermische Stabilität. Der Sensorspulenaufbau ist erfindungsgemäß als mehrlagige Keramik in LTCC-Technik ausgeführt. Hierbei werden die Spulen im Siebdruckverfahren Lage für Lage auf die ungebrannte (grüne) Keramik gedruckt. Die Leiterbahnen bestehen vorzugsweise aus Silber. Nach dem Stapeln und Pressen wird der der vielschichtige Aufbau bei etwa 900°C in einem Prozessofen gebrannt. Bei Bedarf können auch Kondensatoren, Abschirmgitter und/oder eine Metallstruktur zur Vorbedämpfung der Referenzspule in den Keramikkörper eingebracht werden. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau wird auch die thermische Kopplung der Spulen verbessert. Ein Vorteil der LTCC-Keramik gegenüber anderer Keramik sind ihre geringen dielektrischen Verluste. Die Permittivität der Keramik liegt etwa bei 7.The known printed circuit board coils based on the printed circuit board material FR4 do not achieve the necessary thermal stability. The sensor coil assembly according to the invention is designed as a multilayer ceramic in LTCC technology. In this process, the bobbins are screen printed on the unfired (green) ceramic layer by layer. The conductor tracks are preferably made of silver. After stacking and pressing, the multi-layered construction is fired at about 900 ° C in a process furnace. If required, it is also possible to introduce capacitors, shielding gratings and / or a metal structure for pre-damping the reference coil into the ceramic body. The construction according to the invention also improves the thermal coupling of the coils. One advantage of LTCC ceramics over other ceramics is their low dielectric loss. The permittivity of the ceramic is about 7.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

1: Einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter mit Stromspiegeloszillator, 1 : A proximity switch with current mirror oscillator according to the invention,

2: Einen erfindungsgemäßen Spulenkörper mit abgesetzter Referenzspule, 2 : A bobbin according to the invention with a stepped reference coil,

3: Einen erfindungsgemäßen zylindrischen Näherungsschalter im Längsschnitt, 3 : A cylindrical proximity switch according to the invention in longitudinal section,

4: Einen erfindungsgemäßen Spulenkörper mit umschlossener Referenzspule 4 : A bobbin according to the invention with enclosed reference coil

Die 1 zeigt die wesentlichen Schaltungselemente des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters in einer stark vereinfachten Darstellung. Der Generator 1 ist als Stromspiegeloszillator ausgeführt. Vorteilhaft ist die hohe Verstärkung, die zum schnellen Anschwingen führt und den Schwingungsabriss bei starker Bedämpfung verhindert. Die Amplitude des Oszillatorsignals kann mit dem Widerstand Ra abgeglichen werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Schaltung ohne Mittenanzapfung der gleichzeitig als Sendespule 2 dienenden Oszillatorspule auskommt. Die antiseriell geschaltete Empfangsspulen 4a und 4b sind einem Steilheitsmischer 9 verbunden, dessen Emitterzweig mit dem Oszillatorsignal beaufschlagt ist. Die Anordnung, insbesondere die Kopplung der Sendespule 2 mit dem Steilheitsmischer 9 ist stark vereinfacht dargestellt. Eine Gilbertzelle ist hier sicher besser geeignet. Alle drei Spulen sind in einem monolithischen Keramikblock, dem Spulenkörper 6 eingeschlossen. Der Aufbau ist so gewählt, dass das Differenzsignal der beiden Empfangsspulen 4a und 4b im unbeeinflussten Zustand Null beträgt. Der geringe Wärmeausdehnungskoeffizient des Spulenkörpermaterials von typisch 8 ppm/K sorgt für die notwendige thermische Stabilität der Anordnung. Der Spulenkörper 6 besteht vorteilhafterweise aus LTCC-Keramik und enthält in der der gezeigten Ausführung neben den drei Spulen eine Vorbedämpfungsfläche 7 für die Referenzspule 4b und den Schwingkreiskondensator 8. Die Vorbedämpfungsfläche kann auch strukturiert sein. Sie dient zur definierten Vorbedämpfung der idealerweise nicht vom metallischen Auslöser 5 beeinflussbaren Referenzspule 4b. So kann der Einfluss der Einbaulage auf den Schaltabstand des Näherungsschalters verringert werden. Das Differenzsignal der Empfangsspulen 4a und 4b wird einem Analogmultiplizierer zugeführt. Der dargestellte Steilheitsmischer 9 multipliziert das Empfangssignal mit dem Oszillatorsignal, bzw. dem Sendesignal.The 1 shows the essential circuit elements of the inductive proximity switch according to the invention in a greatly simplified Presentation. The generator 1 is designed as a current mirror oscillator. The advantage is the high gain, which leads to a quick start and prevents the stall in heavy dampening. The amplitude of the oscillator signal can be balanced with the resistor Ra. Another advantage is that the circuit without center tap the same time as a transmitting coil 2 serving oscillator coil. The anti-serially connected receiver coils 4a and 4b are a steepness mixer 9 connected, the emitter branch is acted upon by the oscillator signal. The arrangement, in particular the coupling of the transmitting coil 2 with the steepness mixer 9 is shown greatly simplified. A Gilbert cell is certainly better suited here. All three coils are in a monolithic ceramic block, the bobbin 6 locked in. The structure is chosen so that the difference signal of the two receiving coils 4a and 4b is zero in the uninfluenced state. The low thermal expansion coefficient of the bobbin material of typically 8 ppm / K provides the necessary thermal stability of the device. The bobbin 6 is advantageously made of LTCC ceramic and contains in the embodiment shown in addition to the three coils a Vorbedämpfungsfläche 7 for the reference coil 4b and the resonant circuit capacitor 8th , The pre-damping surface can also be structured. It is used for defined pre-damping of ideally not the metallic trigger 5 influenceable reference coil 4b , Thus, the influence of the mounting position on the switching distance of the proximity switch can be reduced. The difference signal of the receiver coils 4a and 4b is fed to an analogue multiplier. The steepness mixer shown 9 multiplies the received signal with the oscillator signal, or the transmission signal.

Durch die phasenrichtige Auswertung werden Störungen weitgehend ausgeblendet. Allerdings gehen auch vom Auslöser 5 hervorgerufene Phasenverschiebungen in das Ergebnis ein. Das am Multiplizierer 9 entstehende pulsierende Gleichspannungssignal wird geglättet und einem Trigger oder Komparator zugeführt, der das Signal mit einem Schwellwert vergleicht und in Abhängigkeit vom Bedämpfungszustand der Spulenanordnung ein binäres Schaltsignal erzeugt. Die Auswerteschaltung 3 kann erfindungsgemäß an Stelle des Multipliziereres 9 auch einen Integrator oder einen Korrelator enthalten, der vorteilhaft als Software in einem Mikrocontroller abgelegt ist. Der Schaltausgang A kann selbst verständlich die bei Näherungsschaltern üblichen Funktionen wie elektronische Sicherung und/oder Überspannungsschutz aufweisen. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigte Anordnung beschränkt. Die erfindungsgemäße Keramikspule kann auch Bestandteil eines Dreipunktoszillators sein. Sie muss auch nicht unbedingt zu einem frequenzbestimmenden Schwingkreis gehören, sondern kann von einem Hochfrequenzgenerator 1 mit Sinus, Dreieck- oder Rechteckimpulsen beliebiger Frequenz und Impulsform beaufschlagt werden.Due to the in-phase evaluation, noise is largely masked out. However, also go from the trigger 5 induced phase shifts in the result. The multiplier 9 resulting pulsating DC signal is smoothed and fed to a trigger or comparator which compares the signal with a threshold and generates a binary switching signal in response to the state of attenuation of the coil assembly. The evaluation circuit 3 can according to the invention instead of the multiplier 9 Also include an integrator or a correlator, which is advantageously stored as software in a microcontroller. Of course, the switching output A can have the usual functions of proximity switches, such as electronic fuse and / or overvoltage protection. Of course, the invention is not limited to the arrangement shown. The ceramic coil according to the invention can also be part of a three-point oscillator. It does not necessarily belong to a frequency-determining resonant circuit, but may be from a high-frequency generator 1 be applied with sine, triangular or rectangular pulses of any frequency and pulse shape.

Die 2 zeigt einen ersten erfindungsgemäßen keramischen Spulenkörper 6. Jede Keramiklage enthält eine spiralförmige Spulenlage. Die Kontaktierung erfolgt über die Mitte und am Rand. Die Kontaktierung ist nur für die Referenzspule 4b gezeigt. Die Anzahl der Spulenlagen ist nicht repräsentativ. In der Mitte liegt die mit 2 bezeichnete Sendespule. Um den Sendestrom gering zu halten, weist sie deutlich mehr Windungen als das mit 4a und 4b bezeichnete Empfangsspulenpaar auf. Neben der Referenzspule 4b liegt die bereits erwähnte Vorbedämpfungsfläche 7. Alle drei Spulen weisen Kontaktflächen 10 auf. Da sie nicht in einer Ebenen liegen, sind nur für die Referenzspule 4b dargestellt.The 2 shows a first inventive ceramic bobbin 6 , Each ceramic layer contains a spiral coil layer. The contacting takes place over the middle and at the edge. The contact is only for the reference coil 4b shown. The number of coil layers is not representative. In the middle is the with 2 designated transmission coil. To keep the transmission current low, it has significantly more turns than that 4a and 4b designated receiving coil pair on. Next to the reference coil 4b is the already mentioned Vorbedämpfungsfläche 7 , All three coils have contact surfaces 10 on. Since they are not in one plane, only for the reference coil 4b shown.

Die 3 zeigt den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters in zylindrischer Bauform. Die in 1 gezeigten Schaltungselemente sind hier nur noch schematisch dargestellt. Die Frontfläche 11 kann aus Metall, vorzugsweise Edelstahl, aber auch aus Kunststoff oder Keramik bestehen. Im Gegensatz zu der gewählten Darstellung wird sie meistes vollständig von der Empfangsspule 4a ausgefüllt. Das Gerät weist ein Außengewinde M12 × 1 und einen Stecker 12 mit Gewindeanschluss M8 × 1 auf.The 3 shows the longitudinal section of a proximity switch according to the invention in a cylindrical design. In the 1 shown circuit elements are shown here only schematically. The front surface 11 can be made of metal, preferably stainless steel, but also of plastic or ceramic. In contrast to the chosen representation, it is mostly complete by the receiver coil 4a filled. The device has an external thread M12 × 1 and a plug 12 with threaded connection M8 × 1 up.

Die übrigen Schaltelemente wurden bereits erläutert. Die Auswerteschaltung 3 besteht hier aus einem Vorverstärker, einem Multiplizierer 9, einem Integrator und einen Schmitt-Trigger zur Erzeugung des binären Schaltsignals. Die Stromversorgung und die üblicherweise mit einer Strombegrenzung oder einen Kurzschlußschutz ausgestattete Schaltstufe sind nicht dargestellt.The other switching elements have already been explained. The evaluation circuit 3 consists here of a preamplifier, a multiplier 9 , an integrator and a Schmitt trigger for generating the binary switching signal. The power supply and usually equipped with a current limiting or short-circuit protection switching stage are not shown.

Die 4 zeigt einen zweiten erfindungsgemäßen keramischen Spulenkörper 6. Hier wurde auf die integrierte Vorbedämpfungsfläche verzichtet. Die Referenzspule ist vollständig von der Sendespule 2 umschlossen. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, weil die induktive Kopplung der Referenzspule 4b mit dem Auslöser 5 und damit auch dessen Einfluss auf das Referenzsignal verringert wird, was zur Verbesserung der Empfindlichkeit führt. Die Referenzspule 4b kann nun sehr klein ausgeführt werden, was sich ebenfalls positiv auf die Empfindlichkeit auswirkt. Weil die Referenzspule 4b in der Mitte der Sendespule 2 liegt, wird der durch den verbleibenden Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glaskeramik hervorgerufene Temperaturgang des Koppelfaktors der beiden Spulen, der bei dicht nebeneinander angeordneten Spulen stärker ist als zu der vergleichsweise weit entfernten Empfangsspule 4a, zusätzlich verringert.The 4 shows a second inventive ceramic bobbin 6 , Here, the integrated pre-damping surface was omitted. The reference coil is completely off the transmitter coil 2 enclosed. This arrangement is particularly advantageous because the inductive coupling of the reference coil 4b with the trigger 5 and thus also its influence on the reference signal is reduced, which leads to the improvement of the sensitivity. The reference coil 4b can now be made very small, which also has a positive effect on the sensitivity. Because the reference coil 4b in the middle of the transmitter coil 2 is, caused by the remaining coefficient of thermal expansion of the glass ceramic temperature coefficient of the coupling factor of the two coils, which is stronger in dense juxtaposed coils than the comparatively distant receiving coil 4a , additionally reduced.

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einem Oszillator 1 und einer Sendespule 2 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, sowie einer Empfangsschaltung 3 mit zwei in Differenzschaltung betriebenen Empfangsspulen 4a und 4b zum Nachweis eines in das magnetische Wechselfeld eindringenden metallischen Auslösers 5, wobei die Empfangsspulen 4a und 4b so angeordnet und aufgebaut sind, dass sie unterschiedlich vom Auslöser 5 beeinflussbar sind und die induzierten Empfangsspannungen sich bei einem gewünschten (Schalt)-Abstand des Auslösers 5 gegenseitig aufheben. Alle drei Spulen sind in einem gemeinsamen Spulenkörper 6 untergebracht und vollständig in das Spulenkörpermaterial eingebettet. Der Spulenkörper kann auch eine Kapazität 8 enthalten, die wie in 1 gezeigt, als Schwingkreiskapazität dienen kann. Das Spulenkörpermaterial weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner 10 ppm/K auf. Typisch sind 8 ppm/K. Die Permittivität ε_relativ des Spulenkörpermaterials ist kleiner als 7. Der typische Wert ist 5,8.The invention relates to an inductive proximity switch with an oscillator 1 and a transmitting coil 2 for generating an alternating magnetic field, and a receiving circuit 3 with two receiver coils operated in differential circuit 4a and 4b for the detection of a penetrating into the alternating magnetic field metallic trigger 5 , wherein the receiving coils 4a and 4b are arranged and constructed so that they are different from the trigger 5 can be influenced and the induced receiving voltages at a desired (switching) distance of the trigger 5 cancel each other out. All three coils are in a common bobbin 6 housed and fully embedded in the bobbin material. The bobbin can also have a capacity 8th included as in 1 shown, can serve as resonant circuit capacity. The bobbin material has a thermal expansion coefficient of less than 10 ppm / K. Typical are 8 ppm / K. The permittivity ε _{relative of} the bobbin material is less than 7. The typical value is 5.8.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Spulenkörper 6 aus einem mehrlagigen Keramikkörper aus LTCC oder HTCC-Keramik, wobei die Abkürzung HTCC für „High Temperature Co-fired Ceramics” steht. Die Abstände der beiden Empfangsspulen 4a und 4b zur Sendespule 2 und auch ihre Durchmesser weichen in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung um mindestens 10% voneinander ab. Die Referenzspule 4b wird kleiner ausgeführt und entsprechend näher an der Sendespule 2 angeordnet. So wird der Einfluss des Auslösers 5 auf die Referenzspule 4b unter Beibehaltung der elektrischen Symmetrie der Differenzspulenanordnung verringert. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Referenzspule 4b vollständig von der Sendespule 2 umschlossen. So wird die Referenzspule 4b besser vom Auslöser 5 entkoppelt und die Empfindlichkeit der Anordnung gesteigert. Diese Anordnung wirkt sich positiv auf den Temperaturgang aus. Vorteilhaft weisen die Empfangsspule 4a und die Referenzspule 4b den gleichen induktiven Widerstand und den gleichen transformatorischen Koppelfaktor zur Sendespule 2 auf. Die Wärmeleitfähigkeit des Spulenkörpermaterials ist größer als 3 W/(m·K).In an advantageous embodiment of the invention, the bobbin 6 from a multilayer ceramic body made of LTCC or HTCC ceramics, where the abbreviation HTCC stands for "High Temperature Co-fired Ceramics". The distances between the two receiver coils 4a and 4b to the transmitting coil 2 and also their diameters differ in an advantageous embodiment of the invention by at least 10% from each other. The reference coil 4b is made smaller and correspondingly closer to the transmitting coil 2 arranged. This is how the influence of the trigger 5 on the reference coil 4b reduced while maintaining the electrical symmetry of the differential coil assembly. In a further advantageous embodiment of the invention, the reference coil 4b completely from the transmitter coil 2 enclosed. So is the reference coil 4b better from the trigger 5 decoupled and increased the sensitivity of the arrangement. This arrangement has a positive effect on the temperature response. Advantageously, the receiving coil 4a and the reference coil 4b the same inductive resistance and the same transformer coupling factor to the transmitting coil 2 on. The thermal conductivity of the bobbin material is greater than 3 W / (m · K).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Oszillator, HochfrequenzgeneratorOscillator, high-frequency generator
22: Sendespuletransmitting coil
33: Empfangsschaltungreceiving circuit
4a4a: Empfangsspule (1. Empfangsspule)Receiver coil (1st receiver coil)
4b4b: Referenzspule (2. Empfangsspule)Reference coil (2nd receiving coil)
55: Metallischer Auslöser, TargetMetallic trigger, target
66: Spulenkörper mit Sendespule 2 und Empfangsspulenpaar 4 Bobbin with transmitting coil 2 and receiving coil pair 4
77: VorbedämpfungsflächeVorbedämpfungsfläche
88th: SchwingkreiskapazitätResonant circuit capacitance
99: Multiplizierermultipliers
1010: Kontaktfläche am SpulenkörperContact surface on the bobbin
1111: Frontflächefront surface
1212: Stecker mit Gewindeanschluss M8 × 1Plug with threaded connection M8 × 1
AA: Schaltausgangswitching output
Ubub: Betriebsspannungoperating voltage
RaRa: Abgleichwiderstandbalancing resistor

Claims

Inductive proximity switch with an oscillator ( 1 ) and a transmitter coil ( 2 ) for generating an alternating magnetic field, and a receiving circuit ( 3 ) with two receiver coils operated in differential circuit ( 4a . 4b ) for the detection of a penetrating into the alternating magnetic field metallic trigger ( 5 ), the receiving coils ( 4a . 4b ) are arranged so that they from the trigger ( 5 ) are influenced differently, wherein the receiving voltages at a desired distance of the trigger ( 5 ) cancel each other, characterized in that all three coils in a common bobbin ( 6 ) are completely embedded in the bobbin material and the thermal expansion coefficient of the bobbin material is less than 10 ppm / K.

Inductive proximity switch according to claim 1, characterized in that the two receiving coils ( 4a . 4b ) the same transformer coupling factor to the transmitting coil ( 2 ) exhibit.

Inductive proximity switch claim 1 or 2, characterized in that the bobbin ( 6 ) has a multilayer LTCC or HTCC ceramic.

Inductive proximity switch according to one of claims 1 to 3, characterized in that the distances of the two receiving coils ( 4a . 4b ) to the transmitting coil ( 2 ) or their diameters differ by at least 10%.

Inductive proximity switch according to one of claims 1 to 4, characterized in that the bobbin ( 6 ) a metallic pre-damping surface ( 7 ) for electrical pre-damping of the reference coil ( 4b ) having.

Inductive proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the bobbin ( 6 ) a capacity ( 8th ) having.

Inductive proximity switch according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the reference coil ( 4b ) from the transmitting coil ( 2 ) is enclosed.