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Die Erfindung betrifft einen Ferritkern für induktive Näherungsschalter mit einem Bodenteil, einem mittig auf diesem angeordneten Zentralteil und einem das Zentralteil umgebenden Randteil, wobei Zentralteil, Randteil und Bodenteil einen Spulenraum zur Aufnahme einer Spule begrenzen.
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Induktive Näherungsschalter, auch als berührungslos und kontaktlos arbeitende elektronische Sensoren bezeichnet, sind in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Derartige Näherungsschalter umfassen einen Oszillator, dessen induktives Glied einen Ferritkern zur Oszillatorfeldführung und Feldabschirmung aufweist. Dabei ist der Ferritkern meistens als Schalenkern sowie gelegentlich auch als X-Kern, RM-Kern oder auch als Pilzkern ausgebildet. Der Ferritkern besitzt ein Bodenteil, einen Zentralteil, der von einer Spule umschlossen ist, sowie einen äußeren Randteil, der die Spule einfasst. Vor den Stirn- bzw. Polflächen von Zentralteil und Randteil wird bei schwingendem Oszillator ein hochfrequentes Feld ausgesendet und aufrechterhalten. Taucht ein Metall-Bedämpfungsteil in dieses hochfrequente Feld ein, wird dem Oszillatorschwingkreis durch entstehende Wirbelstromverluste Energie entzogen, was je nach Annäherung des Bedämpfungsteils und Ausbildung des Oszillators zu einer Minderung der Schwingungen führt. Dieser Effekt ist mit einer Änderung des Ausgangsstroms der Oszillatorschaltung verbunden, welche Änderung zur Erzeugung von Schaltsignalen verwendet wird. Bei einer weiteren Anwendung solcher Oszillatoren kann die Änderung des Ausgangsstroms auch als proportionales Überwachungssignal anliegen.
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Bei der Verwendung von solchen Näherungsschaltern wird regelmäßig ein möglichst großer Ansprechabstand gewünscht. Dieser Ansprechabstand ist abhängig von den Gesamtabmessungen des Näherungsschalters, d.h. insbesondere von dem Durchmesser des Ferritkerns, weshalb eine Vergrößerung des Schaltabstandes in der Vergangenheit durch eine größere Dimensionierung von Ferritkern und Spulen erfolgte.
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Zur Vergrößerung des Ansprechabstandes eines solchen Näherungsschalters bei gleicher Dimensionierung wird in der
DE 28 27 951 C2 vorgeschlagen, den Zentralteil und den Randteil an ihren einander benachbarten Stirnkanten mit Abfasungen zu versehen. Durch die Abfasungen, durch welche die Feld- Polflächen im Mittelwert weiter auseinandergedrückt werden, kann gemäß den Ausführungen dieser Druckschrift der Absprechabstand von Näherungsschaltern im Vergleich zu Näherungsschaltern mit nicht abgefasten Ferritkernen gleicher Größe um etwa 20% bis 30% vergrößert werden. Weiter ist als vorteilhaft herausgestellt, dass die übrigen Eigenschaften des Näherungsschalters zum Beispiel sein Temperaturverhalten im Allgemeinen durch eine solche geringe Abfasung des Ferritkerns nicht beeinträchtigt werden. Ein gattungsgemäßer Näherungsschalter ist in der
DE 31 45 132 C1 beschrieben.
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Ferritkerne der vorgenannten Art haben sich in der Praxis bewährt. Gleichwohl ist bei hohen geforderten Ansprechabständen weiterhin eine erhebliche Dimensionierung des Durchmessers von Ferritkern und Spule erforderlich.
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Ferritkern für induktive Näherungsschalter bereitzustellen, der einen weiter erhöhten Ansprechabstand bei gleichem Kerndurchmesser von Näherungsschaltern durch eine breitere Ausdehnung des Oszillatorfeldes in den Wirkraum ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Mit der Erfindung ist ein Ferritkern für induktive Näherungsschalter bereitgestellt, der einen weiter erhöhten Ansprechabstand bei gleichem Kerndurchmesser von Näherungsschaltern ermöglicht. Überraschend wurde gefunden, dass bei einem Verhältnis der mittleren Oszillatorfeldaustrittsbreite - das ist der Abstand zwischen der Rotationsachse des Zentralteils und der Mitte der Aktivseite der Randteilstirnfläche, abzüglich des halben Radius der Stirnfläche des Zentralteils - zum Ferritkernradius von größer gleich 0,85 eine signifikante Erhöhung des Schaltabstandes erzielbar ist. Bevorzugt ist ein Verhältnis der mittleren Oszillatorfeldaustrittsbreite zum Ferritkernradius von größer gleich 0,9 vorhanden.
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Durch die massive Ausgestaltung des Zentralteils, das insbesondere ohne Mittenbohrung ausgeführt ist, ist eine minimale Dimensionierung des Außendurchmessers des Zentralteils ermöglicht, wodurch wiederum eine Optimierung des Wicklungsraumes sowie eine weitere Optimierung des Schaltabstandes des Näherungsschalters erzielt sind.
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In Weiterbildung der Erfindung beträgt das Verhältnis der maximalen äußeren Spulenraumbreite bmax zum Ferritkerndurchmesser DF größer gleich 0,3, bevorzugt größer gleich 0,4. Hierdurch wird eine weitere Erhöhung des Schaltabstandes erzielt. Die maximale äußere Spulenbreite bmax ist der Abstand zwischen der Zentralteilaußenmantelfläche und der Randteilinnenmantelfläche an der äußersten Aktivseite des Ferritkerns.
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In Ausgestaltung der Erfindung beträgt das Verhältnis von Ferritkernvolumen zum Spulenraumvolumen kleiner gleich 1,5. Es wurde gefunden, dass durch eine Reduzierung des Verhältnisses von Ferritkernvolumen zum Spulenraumvolumen auf kleiner 1,5 eine wiederum signifikante Erhöhung des Schaltabstandes erzielbar ist. Dabei ist das Spulenraumvolumen das zwischen Zentralteil, Bodenteil und Randteil sowie einer gedachten, durch die Stirnfläche des Ferritkerns gelegten Ebene begrenzte Volumen zur Aufnahme der Spule. Durch das im Verhältnis zum Ferritvolumen größere Spulenraumvolumen ist eine weitere Optimierung für die Spuleninduktivitäten und die Verringerung der ohmschen Spulenwiderstände ermöglicht.
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Eine weitere Optimierung des Ansprechabstands ist durch ein Verhältnis von Ferritkernvolumen zum Spulenraumvolumen von kleiner gleich 1,0, bevorzugt von kleiner gleich 0,75, besonders bevorzugt von kleiner gleich 0,5 erzielbar.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die dem Zentralteil zugewandte Innenmantelfläche des Randteils in Richtung dessen freier Stirnfläche sich konisch erweiternd ausgebildet ist. Hierdurch ist eine Reduzierung des Volumens des Randteils und damit des Ferritkernvolumens bei gleichzeitiger Minimierung der Stirnfläche des Randteils erzielt. Die sich konisch erweiternde Form der Innenmantelfäche des Randteils muss nicht zwingend eine konstante, im Querschnitt eine Gerade bildende Steigung aufweisen. Sie kann alternativ auch eine kurvenförmige oder stufenartige Kontur aufweisen. Wesentlich ist, dass in Richtung der freien Stirnfläche eine Vergrößerung des Innendurchmessers vorliegt und sich dadurch eine weitere Ausdehnung des Oszillatormagnetfeldes in Richtung eines erhöhten Schaltabstandes ergibt.
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In Ausgestaltung der Erfindung schließt die Innenmantelfläche des Randteils mit dem Bodenteil einen Winkel von zwischen 92 Grad und 120 Grad ein. Es wurde erkannt, dass auch magnetische Feldlinien den Weg des geringsten Widerstands wählen, weshalb ein Teil des Oszillatorfeldes der induktiven Näherungsschalter außerhalb deren Wirkbereiches liegt, da ein Teil der Oszillatorfeldlinien zwischen der winklig an die Stirnflächen des Randteils angestellte Innenmantelfläche und der bevorzugt winklig an die Stirnfläche des Zentralteils angestellte Außenmantelfläche fließt. Durch die winklige bis zum Bodenteil geführte Anstellung der Innenmantelfläche des Randteils und des Zentralteils wird der Anteil der außerhalb des Wirkbereichs liegenden Oszillatorfeldlinien minimiert und der optimalen Wirkrichtung angenähert.
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Weiterhin wurde erkannt, dass bei der Ausgestaltung des Randteils, insbesondere der konisch sich nach außen erweiternden Innenmantelfläche zur Minimierung des Ferritkernvolumens die Wandstärke des Randteils, insbesondere die stirnseitige Wandstärke ohne wärmebedingte Einflüsse bis zum Erreichen der Fertigungsgrenzen reduziert werden kann, da die Oszillatoren der induktiven Näherungsschalter sehr energiearm im Mikrowattbereich arbeiten. Durch eine solche Volumenreduzierung des Ferritkerns ist eine weitere Ausdehnung und Konzentrierung des Oszillatorfeldes in Bezug auf einen hohen Ansprechschaltabstand erzielt.
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Vorteilhaft weist das Randteil an seiner Stirnseite eine minimale Wandstärke von kleiner gleich 3 mm, bevorzugt kleiner gleich 2 mm, besonders bevorzugt kleiner gleich 1 mm, idealerweise kleiner gleich 0,5 mm auf. Gleichzeitig ist eine weitere Optimierung und Konzentrierung des Oszillatorfeldes erzielt. Die mechanische Stabilität des Ferritkerns ist in einem Näherungsschalter auch bei geringster Wandstärke gewährleistet, da solche Ferritkerne aufweisende Näherungsschalter mit aushärtenden Vergussmassen vergossen sind. Daher kann auch die Dicke des Bodenteils zur Reduzierung des Ferritkernvolumens im Rahmen der Fertigungsgrenzen minimiert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Zentralteil kegelförmig, bevorzugt kegelstumpfförmig ausgebildet. Hierdurch ist eine winklige Anstellung der Außenmantelfläche des Zentralteils an dessen Stirnfläche bei gleichzeitiger Minimierung des Volumens des Zentralteils und damit wiederum des Ferritkernvolumens erzielt.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der Randteil an seiner dem Zentralteil abgewandten Außenseite eine Abschrägung auf, die mit der Deckfläche des Randteils einen Winkel von zwischen 10 Grad und 60 Grad aufspannt. Hierdurch ist eine weitere Ausdehnung des Oszillatorfeldes erzielt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Zentralteil an seiner Stirnfläche mit einer kegelförmigen Einsenkung versehen. Hierdurch ist das Volumen des Zentralteils und damit das Ferritkernvolumen weiter reduziert. Weiterhin hat sich gezeigt, dass eine solche Einsenkung sich positiv auf den Feldlinienverlauf und die Feldlinienkonzentration und damit auf das Ansprechverhalten auswirkt.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Näherungsschalter mit einem Ferritkern der vorgenannten Art, bei dem das Zentralteil und das Randteil mit ihrer freien Stirnfläche an der Ansprechseite des Näherungsschalters angeordnet sind.
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Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
- 1 die schematische Darstellung eines Ferritkerns eines Näherungsschalters in der Draufsicht;
- 2 die schematische Darstellung des Ferritkerns aus 1 im Querschnitt und
- 3 die schematische Darstellung des Ferritkerns aus 2 mit eingelegter Spule in einem Transistoroszillatorschaltkreis mit angedeutetem Feldlinienverlauf und Metall-Bedämpfungsteil.
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In
3 ist beispielhaft das Schaltbild eines Transistoroszillators
1 gezeigt, dessen Ausgänge mit einem - nicht dargestellten - Schaltverstärker eines Annäherungsschalters verbunden sind. Der Schaltungsaufbau derartiger Transistoroszillatoren und Näherungsschalter ist beispielsweise aus der
DE 28 27 951 C2 bekannt. Auch die gezeigte Verwendung eines der Transistoren nur als Diode ist bei solchen Näherungsschaltern bekannt.
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Der im Querschnitt dargestellte Ferritkern 2 des Oszillatorkreises umfasst einen von einer Spule 3 umschlossenen Zentralteil 4 sowie einen die Spule 3 umschließenden Randteil 5, welche jeweils an einem Ende in den Ferritkernboden 6 übergehen. Der Ferritkern 2 ist um die Mittelachse Mz des Zentralteils 4 rotationssymmetrisch ausgebildet. Die freien Stirnenden des Zentralteils 4 sowie des Randteils 5 bilden die Polflächen an der Ansprechseite des Näherungsschalters. Der Ferritkern 2 weist im Ausführungsbeispiel ein Verhältnis der mittleren Oszillatorfeldbreite a zum Ferritkernradius RF von 0,9 auf.
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Der Feldverlauf zwischen der zentralen Polfläche und den äußeren Polflächen ist durch Linien 7 angedeutet. Taucht ein Metall-Bedämpfungsteil 8 bis an bzw. über die Grenzlinie 9 (diese entspricht dem gewünschten Schaltabstand) hinweg in das durch die Linien 7 angedeutete hochfrequente Feld ein, erfolgt eine Dämpfung der Schwingung des Oszillators. Durch diese Schwingungsdämpfung liefert der Näherungsschalter ein auswertbares direktes Schaltsignal oder - je nach Anwendungsfall - eine auswertbare Stromänderung.
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Das Zentralteil 4 ist im Ausführungsbeispiel kegelstumpfförmig nach oben zulaufend ausgebildet mit einem Radius Rz und ist an seiner Stirnfläche 41 mit einer kegelförmigen Einsenkung 42 versehen.
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Der Randteil 5 weist eine zylinderförmige Außenkontur auf, wobei dessen dem Zentralteil 4 zugewandte Innenmantelfläche 51 in Richtung seiner freien Stirnfläche 52 konisch sich nach außen erweiternd ausgebildet ist, wodurch sich die Materialstärke des Randteils 5 in Richtung seiner freien Stirnfläche verjüngt. Im Ausführungsbeispiel schließt die Innenmantelfläche 51 des Randteils 5 mit der Ebene des Bodenteils 6 einen Winkel von 105 Grad ein und weist damit auf der freien Stirnfläche eine minimale Wandstärke von 1,5 mm auf. Außen ist das Randteil 5 stirnseitig mit einer - nicht dargestellten - Abschrägung versehen. Das Verhältnis der maximalen Spulenraumbreite bmax zum Ferritkerndurchmesser DF beträgt 0,35.
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Durch die im Ausführungsbeispiel gewählte Gestaltung des Ferritkerns
2 wurde ein Verhältnis des Volumens des Ferritkerns
2 zum Volumen dessen Spulenaufnahmeraums
21 vom 1,0 erzielt. Dabei hat sich gezeigt, dass bei einem ansonsten gemäß der
DE 28 27 951 C2 ausgebildeten Näherungsschalter je nach dessen Baugröße ein um bis zu 50% größerer Schaltabstand auf die Annäherung eines Metall-Bedämpfungsteils
8 erreichbar ist. Dies wird gegenüber dem in der
DE 28 27 951 C2 beschriebenen Ferritkern u.a. auch dadurch erzielt, dass die hierbei nahe der Aktivseite liegenden Oszillatorfelder zwischen den Anfasungsflächen wesentlich verringert werden, wodurch der Schaltabstand optimiert wird.
