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Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden induktiven Näherungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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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 Industrie weit verbreitet und werden in großer Stückzahl hergestellt. Um die Montage und auch den Austausch der Geräte zu erleichtern, werden sie meist mit einem fest eingestellten Schaltabstand ausgeliefert.
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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.
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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.
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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 Hochfrequenz-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.
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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.
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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.
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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° gegeneinand er versetzten Spulenpaare.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, und einen kompakten, langzeitstabilen und temperaturunempfindlichen induktiven Näherungsschalter anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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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 Spulenkörperblock aus einer LTCC-Glaskeramik, Low Temperature Co-fired Ceramics, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6–8 ppm/K und die gewünschte hohe Maßhaltigkeit aufweist. Die bekannten Leiterplattenspulen auf der Grundlage des Leiterplattenmaterials FR4 erreichen nicht die notwendige thermische Stabilität. Der Sensorspulenaufbau ist deshalb 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 sind vorzugsweise aus Kupfer, können aber auch aus Silber bestehen. Nach dem Stapeln und Pressen wird der der vielschichtige Aufbau bei etwa 900°C in einem Proze ssofen 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.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1: Einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter mit Stromspiegeloszillator,
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2: Einen erfindungsgemäßen Spulenkörper mit der Empfangsspule an Rand,
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3: Einen erfindungsgemäßen zylindrischen Näherungsschalter im Längsschnitt.
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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 diese Schaltung ohne Mittenanzapfung der gleichzeitig als Sendespule 2 dienenden Oszillatorspule auskommt. Die antiseriell geschalteten Empfangsspulen 4 und 5 sind einem Steilheitsmischer 10 verbunden, dessen Emitterzweig mit dem Oszillatorsignal beaufschlagt ist. Diese Anordnung, insbesondere die Kopplung der Sendespule 2 mit dem Steilheitsmischer 10 ist stark vereinfacht dargestellt. Eine Gilbertzelle ist hier sicher besser geeignet. Alle drei Spulen sind in einem monolithischen Keramikblock, dem Spulenkörper 7 eingeschlossen. Der Aufbau ist so gewählt, dass das Differenzsignal der beiden Empfangsspulen 4 und 5 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 7 besteht vorteilhafterweise aus LTCC-Keramik und enthält in der der gezeigten Ausführung neben den drei Spulen den Schwingkreiskondensator 8 und eine Vorbedämpfungsfläche 9 für die Referenzspule 5. Die Vorbedämpfungsfläche 9 kann auch strukturiert sein. Sie dient zur definierten Vorbedämpfung der idealerweise nicht vom metallischen Auslöser 6 beeinflussbaren Referenzspule 5. So kann auch der Einfluss der Einbaulage auf den Schaltabstand des Näherungsschalters verringert werden. Das Differenzsignal der Empfangsspulen 4 und 5 wird dem Steilheitsmischer 10 zugeführt, der als Analogmultiplizierer arbeitet. Er multipliziert das Empfangssignal mit dem Oszillatorsignal, das hier auch als Sendesignal dient.
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Durch die phasenrichtige Auswertung werden Störungen weitgehend ausgeblendet. Allerdings gehen auch vom Auslöser 6 hervorgerufene Phasenverschiebungen in das Ergebnis ein. Das am Multiplizierer 10 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 10 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.
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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.
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Die 2 zeigt einen erfindungsgemäßen keramischen Spulenkörper 7. Jede Keramiklage enthält eine Spulenlage, die allerdings auch zu verschiedenen Spulen gehören kann, die über nicht dargestellte Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind. Die äußeren Spulenkontakte sind nur schematisch dargestellt. Die Anzahl der Spulenlagen ist nicht repräsentativ. Um den Sendestrom möglichst gering zu halten, weist die an ihren Kontakten mit 2 bezeichnete Sendespule mehr Windungen auf, als die Empfangsspule 4 und die Referenzspule 5. Alle drei Spulen liegen etwa in einer gemeinsamen Mittelebene. Die Empfangsspule 4 ist wegen des besseren Kontakts zum Auslöser 6 am Rand des Spulenkörpers 7 in einem gewissen Abstand zur Sendespule 2 angeordnet. Der hier nicht dargestellte Schwingkreiskondensator 8 ist vorteilhaft an der Rückseite der Sendespule 2 angeordnet. Die Vorbedämpfungsfläche 9 ist auch nicht dargestellt. Sie kann erfindungsgemäß an beiden Seiten der Referenzspule 5, also auch an der dem Auslöser zugewandten Seite der Referenzspule 5 liegen. Alle drei Spulen werden über die Rückseite des Spulenkörpers 7 kontaktiert.
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Die 3 zeigt den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters in zylindrischer Bauform. Die in 1 gezeigten Schaltungselemente sind hier noch stärker vereinfacht dargestellt. Die Frontfläche 11 kann aus Metall, vorzugsweise Edelstahl, aber auch aus Kunststoff oder Keramik bestehen. Ihr Randbereich wird möglichst vollständig als Empfangsfläche genutzt und deshalb von der Empfangsspule 4 ausgefüllt. Das Gerät weist einen Stecker 12 mit Gewindeanschluss M8 × 1 auf und ist zur Erleichterung der Montage mit einem Außengewinde M12 × 1 versehen. Die übrigen Schaltelemente wurden bereits erläutert. Die Auswerteschaltung 3 besteht hier aus einem Vorverstärker, einem Multiplizierer 10, 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.
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Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einem Oszillator 1 und einer Sendespule 2 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, einer Empfangsschaltung 3 mit zwei in Differenzschaltung betriebenen Empfangsspulen 4 und 5 zum Nachweis eines in das magnetische Wechselfeld eindringenden metallischen Auslösers 6, wobei die Empfangsspulen 4 und 5 so angeordnet und aufgebaut sind, dass sie unterschiedlich vom Auslöser 6 beeinflussbar sind und die induzierten Empfangsspannungen sich bei einem gewünschten (Schalt)-Abstand des Auslösers 6 gegenseitig aufheben. Das kann auch bei Abwesenheit des Auslösers 6 der Fall sein. Alle drei Spulen sind in einem gemeinsamen Spulenkörper 7 untergebracht und vollständig in das Spulenkörpermaterial eingebettet. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Empfangsspule 4 am Rand und die Referenzspule 5 im Zentrum des gemeinsamen Spulenkörpers 7 anzuordnen. Das Spulenkörpermaterial weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner 10 ppm/K auf. Typisch sind 8 ppm/K. Die Permittivität εrelativ des Spulenkörpermaterials ist kleiner als 7. Der typische Wert ist 5,8. Der Spulenkörper 7 besteht vorteilhaft aus einem mehrlagigen Keramikkörper aus LTCC oder HTCC-Keramik, wobei die Abkürzung HTCC für „High Temperature Co-fired Ceramics” steht. Die beiden Empfangsspulen 4 und 5 können mit den Windungen der Sendespule 2 verschachtelt sein, d.h. die Spulen können sich gegenseitig durchdringen.
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Die Abstände der beiden Empfangsspulen 4 und 5 zur Sendespule 2 und auch ihre Durchmesser können unterschiedlich sein. Die Referenzspule 5 benötigt wegen ihres geringeren Durchmessers eine höhere Windungszahl als die Empfangsspule 4. Da die Referenzspule 5 einen kleineren Durchmesser aufweist und im achsnahen Bereich des Näherungsschalters angeordnet, ist sie deutlich weniger vom Auslöser beeinflussbar als die eigentliche Empfangsspule 4. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Referenzspule 5 vollständig von der Sendespule 2 umschlossen. So wird die Referenzspule 5 besser vom Auslöser 6 entkoppelt und die Empfindlichkeit der Anordnung gesteigert. Diese Anordnung wirkt sich positiv auf den Temperaturgang aus. Vorteilhaft weisen die Empfangsspule 4 und die Referenzspule 5 den gleichen transformatorischen Koppelfaktor zur Sendespule 2 auf. In manchen Fällen ist auch der gleiche induktive Widerstand von Vorteil. Die Wärmeleitfähigkeit des Spulenkörpermaterials beträgt mindestens 3 W/(m·K). In den Spulenkörper 7 können ein Kondensator 8 (Schwingkreiskondensator) und eine Vorbedämpfungsfläche 9 zur Vorbedämpfung der Referenzspule 5 eingebettet sein. Die Empfangsspule 2 kann in einem Abstand zur Sendespule 2 angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Oszillator, Hochfrequenzgenerator
- 2
- Sendespule
- 3
- Empfangsschaltung
- 4
- Empfangsspule (1. Empfangsspule)
- 5
- Referenzspule (2. Empfangsspule)
- 6
- Metallischer Auslöser, Target
- 7
- Spulenkörper mit der Sendespule 2 und den Empfangsspulen 4 und 5
- 8
- Kondensator, Schwingkreiskondensator
- 9
- Vorbedämpfungsfläche
- 10
- Multiplizierer
- 11
- Frontfläche
- 12
- Stecker mit Gewindeanschluss M8 × 1
- A
- Schaltausgang
- Ub
- Betriebsspannung
- Ra
- Abgleichwiderstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4102542 A1 [0006]
- DE 10012830 A1 [0007, 0007]
- DE 10350733 B4 [0008]
