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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Näherungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Erfassung eines Targets nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Im Stand der Technik sind induktive Näherungsschalter bekannt, insbesondere solche, bei denen mindestens eine der Spulen auf einer Platine aufgedruckt ist.
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Eine solche Anordnung zeigt beispielsweise die
DE 20 2006 004 158 U1 , bei der ein induktiver Näherungsschalter mit wenigstens einer Empfangsspule, einem Oszillatorschaltkreis und wenigstens zwei im magnetischen Wechselfeld der Sendespule angeordnete Empfangsspulen ausgestattet ist. Hierbei sind die Empfangsspule und die Sendespulen benachbart auf einer Platine angeordnet, wobei eine an die Sendespulen angeschlossene Auswerteschaltung vorgesehen ist, die bei Annäherung eines Targets an den Näherungsschalter ein Schaltsignal erzeugt. Die zwei Empfangsspulen und die Sendespule bestehen gemäß der
DE 20 2006 004 158 U1 jeweils aus wenigstens einer ringförmig, elliptisch, polygonal oder spiralartig geformten Windung, wobei entweder die Sendespule von der ersten Empfangsspule peripher umgeben ist und diese ihrerseits von der zweiten Empfangsspule peripher umgeben ist.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2006 053 023 A1 ein Näherungsschalter mit einer ein magnetisches Wechselfeld erzeugenden Spulenanordnung bekannt, welche eine Hauptsendespule und eine diese koaxial umgebende Kompensationsspule aufweist. Der Näherungsschalter weist weiterhin eine Empfangsspule auf, wobei die Sendespule und die Kompensationsspule mit Wechselströmen entgegengesetzter Phase gespeist werden, wobei die Sendespule gegensinnig zur Kompensationsspule geschaltet ist, eine größere Windungszahl als die Kompensationsspule aufweist und die Sendespule und die Kompensationsspule von einem gemeinsamen Wechselspannungsgenerator bestromt werden, so dass das von der Sendespule erzeugte Magnetfeld größer ist, als das von der Kompensationsspule erzeugte Magnetfeld.
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Schließlich offenbart die
DE 100 57 773 B4 einen Näherungsschalter mit einer eine Spule aufweisenden Spulenanordnung und dieser nachgeordneten Auswerteschaltung zur Gewinnung eines Schaltsignales bei einer Feldstärkenänderung, wenn sich ein Target der Spulenanordnung auf den gewünschten Ansprechabstand nähert, wobei die mindestens eine Spule von elektrisch in Reihe geschalteten, achsparallel einander zugeordneten Teilspulen ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen mit gleichem Windungssinn in Reihe geschaltet in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander angeordnet sind.
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Bei diesen grundsätzlich geeigneten Näherungsschaltern besteht ein Bedarf der Weiterentwicklung hin zu stabileren, störungsfreien Nullzuständen, wenn sich kein Target im Erfassungsbereich befindet, bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit (Schaltabstand) und Ansprechcharakteristik.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Näherungssensor und ein zugehöriges Verfahren zur Erfassung eines Targets vorzuschlagen, wobei ein stabilerer Nullzustand vorliegt, und weniger Störungen auftreten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen induktiven Näherungsschalter nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruches 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung Näherungsschalter mit einer mindestens zwei Empfangsspulen und mindestens einer Sendespule aufweisenden Spulenanordnung und dieser nachgeordneten Steuer- und Auswerteeinheit zur Gewinnung eines Schaltsignales, wenn sich ein Auslöser der Spulenanordnung auf den gewünschten Ansprechabstand nähert, wobei die mindestens zwei Empfangsspulen und die die mindestens eine Sendespule als Planarspulen ausgebildet sind und in einer gemeinsamen Spulenebene angeordnet sind, wobei die gemeinsame Spulenebene im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des Näherungsschalters und den zu dieser Längsachse parallelen Spulenachsen ausgerichtet ist, wobei die mindestens zwei Empfangsspulen und die mindestens eine Sendespule jeweils auf einer Spulengrundfläche aufgebracht sind, wobei die Spulengrundflächen sich Richtung der Längsachse nicht überdecken und nicht umlaufend umschließen, insbesondere nicht ringförmig umschließen.
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Hierbei erfolgt insbesondere ein Schaltsignales bei einer Feldstärkenänderung, die aufgrund der Anwesenheit eines Auslösers (Targets) eintritt.
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Hierbei ist unter der Anordnung der einzelnen Spulen in „einer Ebene“ nicht eine mathematisch 2-dimensionale Fläche zu verstehen. Vorliegend meint „eine Ebene“ die Anordnung auf einer Leiterplatte oder Platine, natürlich insbesondere auf derselben Oberfläche der Platine. Hierbei soll unter einer Ebene auch verstanden werden, dass einzelne Spulen oder Spulengruppen in der Platine vertieft angeordnet sind und/oder auf der Rückseite oder Unterseite einer Platine angebracht sind.
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Eine Spule oder die Windungen der Spulen ist insbesondere als eine flache Spirale ausgebildet, deren erster Anschluss radial außen zu der jeweiligen Spirale an einem Ende der Windungen angeordnet ist und das zweite Ende ist im Zentrum, dass heißt auf einer zentralen Innenfläche der jeweiligen Spule angeordnet. Die Verbindung vom zweiten Ende der Windung zu einer weiteren Anschlussstelle erfolgt insbesondere durch die Platinen hindurch und insbesondere mindestens auf einer Strecke auf der Rückseite der Platine.
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Bei einer weiter verbesserten Ausführungsform ist mindestens eine Spule oder eine Gruppe von Spulen mehrlagig ausgebildet, indem auf einer ersten Ebene mit elektrisch leitenden Windungen (erste Windungsebene) eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist (erste Isolierschicht) und auf der ersten Isolierschicht eine zweite Windungsebene mit einer elektrisch leitenden Windung aufgetragen ist, die wiederum von einer zweiten Isolierschicht überdeckt sein kann, wobei der Aufbau in analoger Weise fortgesetzt werden kann.
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Hierbei ist die Windung auf der zweiten Windungsebene eine elektrisch leitende, gleichsinnige Fortsetzung der Windung auf der ersten, untersten Windungsebene. Die Windung der zweiten Windungsebene kann herbei insgesamt deckungsgleich mit allen Windungen der darunterliegenden Ebene sein oder nur eine Teilzahl der Windungen in Spulenachsrichtung überdecken. Vorteilhafterweise ist mindestens eine der Windungen durch einen additiven Fertigungsprozess aufgebracht. Idealerweise werden die Windungsebenen und die Isolierebenen mindestens teilweise durch einen additiven Fertigungsprozess aufgebracht.
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Bei einer weiter verbesserten Ausführungsform wird auf mindestens einer Windungsebene, insbesondere der obersten Windungsebene, mindestens eine äußere Korrektur- oder Gegenwindung aufgebracht, die die Grundfläche der jeweiligen Spule mindestens auf einer Teillänge von 360° umschließt, insbesondere mit einer Teillänge von über 180° umschließt, idealerweise mit einer Teillänge von über 270° umschließt.
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Durch den mehrlagigen Aufbau kann die Flachspule bei gleichbleibender Erfassungsleistung dem Grunde nach bei gleichbleibendem Erfassungsbereich nicht wesentlich miniaturisiert werden, da sich der maximale Erfassungsbereich auch immer proportional mit dem Gesamtspulendurchmesser verhält. Allerdings kann durch den mehrlagigen Aufbau die Erfassungsleistung ohne bauliche Vergrößerung verbessert werden, beispielsweise durch die Erhöhung der Induktivität der Sendespule.
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Die Empfangsspulen sind untereinander in Reihe geschaltet. Die Sendespule weist entweder zu den Empfangsspulen gegensinnige Windungen auf oder wird gegensinnig zu den Empfangsspulen mit Strom durchflossen.
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Hierbei funktioniert die Spulenanordnung auf einem transformatorischen Kopplungsfaktor-Prinzip, bei dem die Empfangsspulen durch einen Oszillator angeregt werden oder einen Oszillatorschaltkreis bilden. In diesem magnetischen Wechselfeld der Empfangsspulen ist die mindestens eine Sendespulen benachbart angeordnet. Die an die Sendespule angeschlossene Steuerung- und Auswerteeinheit erzeugt bei der Annäherung eines Auslösers im Erfassungsbereich des Näherungsschalters aus den geänderten Ausgangs- oder Ruhesignalen der Sendespule ein Schaltsignal.
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Bei einer verbesserten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Spulenachse, der mindestens einen Sendespule in der gemeinsamen Spulenebene radial innen liegt und die mindestens zwei Spulenachsen der Empfangsspulen radial außen liegen
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Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, dass bei einer Ausführungsform genau eine Sendespule vorgesehen ist, deren Spulenachse in Deckung mit der Längsachse verläuft, und wobei die Spulenachsen der mindestens zwei Empfangsspulen zur Spulenachse der Sendespule den identischen Abstand aufweisen. Vorteilhafterweise sind mindestens zwei Gruppen oder Paare von Empfangsspulen symmetrisch zur Spulenachse der zentralen Sendespule angeordnet. Idealerweise sind die Empfangsspulen bzw. deren Spulenachsen in identischem Winkelabstand um die Sendespule bzw. deren Spulenachse angeordnet.
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Zum Aufbau eines gleichmäßigen und stabilen Magnetfeldes kann ein besonderer Vorteil insbesondere darin bestehen, dass die Spulenachsen aller Empfangsspulen zur Spulenachse der zentralen Sendespule den identischen oder im Wesentlichen identischen Abstand aufweisen.
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Die eine Sendespule ist somit im Zentrum der Spulenanordnung (Cu-Lage) positioniert und um diese sind mehrere ringförmige Empfangsspulen angeordnet, die durch die elektrische Zusammenschaltung eine Differenzspannung bilden. Hierdurch kann eine Positionserkennung von metallischen Auslösern (Targets) erfolgen, unabhängig von deren Leitfähigkeit. Es besteht somit ein Faktor 1, der im industriell üblichen Erkennungs- (Schalt-)abstand ausgewertet werden kann.
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Diese Ausführungsform kann dahingehend verbessert werden, dass 3 bis 6 Empfangsspulen vorgesehen sind, deren Spulenachsen konzentrisch um die Spulenachse der Sendespule angeordnet sind. Hierbei sind die Abstände der Empfangsspule beziehungsweise deren Spulenachsen untereinander nicht zwingend identisch, weisen aber vorteilhafterweise eine Symmetrie auf, um eine möglichste gleichmäßige Verteilung des Magnetfeldes zu erreichen.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einer Ausführungsform vorgesehen wird, dass jede Empfangsspule eine Anzahl S an Windungen aufweist, und jede Sendespulen eine Anzahl E an Windung aufweist, wobei das Verhältnis ΣS/ΣE im Bereich von 0,46 bis 0,30 liegt, idealerweise im Bereich von 0,43 bis 0,32. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weisen beispielsweise vier Empfangsspulen jeweils 3,5 Windungen auf und die eine, zentrale Sendespule weist 5,5 Windungen auf, so dass sich hieraus ein Verhältnis von 0,393 ergibt.
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Vorteilhaft kann weiterhin sein, wenn bei einer Ausführungsform vorgesehen wird, dass das Verhältnis der Spulengrundflächen einer Empfangsspule zu einer Sendespule 1 ist, plus/minus 0,2. Hierbei ist als Spulengrundfläche nur der von den insb. spiralförmigen Windungen überdeckte Flächenbereich zu verstehen, ggf. nötige Leitungen oder Leitungsbahnen definieren die Spulengrundfläche nicht.
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Insgesamt ist die Spulenanordnung derart auszulegen, dass durch die elektrische Zusammenschaltung von Empfangsspulen und Sendespulen eine Differenzspannung gebildet wird.
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Zum Aufbau eines sehr dichten magnetischen Feldes und zur Verminderung der Störeinflüsse hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft sein kann, wenn der lotrechte Abstand zwischen
- - der äußersten Windung einer Empfangsspule und
- - der äußersten Windung der Sendespule,
ein Vielfaches des Windungsabstandes einer Empfangsspule beträgt, wobei das Vielfache im Bereich von 0,8 bis 3 liegt, idealerweise im Bereich von 0,8 bis 1,5 liegt.
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Der Windungsabstand ist hierbei die lotrechte Strecke in radialer Richtung zwischen zwei parallel verlaufenden Windungen einer Spirale. Idealerweise sind die Empfangsspulen mindestens bezüglich der Windungszahl und deren Dimension identisch oder weitgehend identisch aufgebaut.
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Von der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren umfasst, womit ein Auslöser (Target) erfasst werden kann, wobei ein Näherungsschalter mit zugehöriger Schaltung und Auswerteeinheit verwendet wird, und wobei der Näherungsschalter nach einem der vorherigen Varianten und Ausführungsformen ausgebildet ist.
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Alle zum Näherungsschalter gemachten Ausführungen, Hinweise und Nennungen von Vorteilen, gelten in analoger Weise für das Verfahren unter Verwendung des Näherungsschalters.
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Als besonderer Vorteil hat sich herausgestellt, dass das Spulensystem für den hier beschriebenen induktiven Näherungssensor einen Reduktionsfaktor von 1 für alle Metalle aufweist, einen sehr einfachen Aufbau aufweist und sich durch eine hohe Temperatur- und Langzeitstabilität ausweist.
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Weiterhin wird keine Ferritkern benötigt, so dass externe Magnetfelder keinen störenden Einfluss auf den Sensor ausüben können. Als ein weiterer Vorteil hat sich herausgestellt, dass das Spulensystem geeignet ist, dass kein Richtungsvorrang gegeben ist, so dass von beiden Seiten der Platine mit einer identischen Empfindlichkeit und Wirkung eine Erfassung vorgenommen werden kann.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Näherungssensors als Draufsicht auf die Spulenanordnung einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine zweite Ausführungsform der Spulenanordnung,
- 3 eine dritte Ausführungsform der Spulenanordnung,
- 4 eine vierte Ausführungsform der Spulenanordnung und
- 5 eine vertikale Schnittdarstellung in Längsrichtung des Näherungssensors als Überblicksdarstellung.
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Die 1 zeigt den Näherungsschalter 100, der ein Gehäuse 104 aufweist, in welchem eine Platine 106 mit einer Spulenanordnung 200 aus vier Empfangsspulen 210 und einer Sendespule 220 angeordnet ist. Die Oberseite der Platinen 106 bildet die Spulenebene 114 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel. Empfangsspule 210 weist eine Spulenachse 212 auf und die Sendespule 220 eine Spulenachse 222, wobei die Spulenachse 222 der Sendespule 220 deckungsgleich ist mit der Längsachse 102 der Spulenanordnung 200 bzw. des Näherungssensors 100. Die aus der Bildebene heraustretenden Achsen sind als Kreis mit einem inneren „X“ symbolisiert.
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Die Empfangsspulen 210 und die Sendespulen 212 beziehungsweise deren Windungen, verlaufen konzentrisch um die jeweilige Spulenachse 212, 222. Die Längsachse 102 der Spulenanordnung 200 liegt ganz allgemein insbesondere im Zentrum aller Spulenachsen 212, 222 beziehungsweise bildet das Zentrum.
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Die Platine 106 ist parallel zur nicht dargestellten Schnittebene angeordnet, die parallel zur Bildebene ausgerichtet ist. Mit der Platine 106 und insbesondere den darauf angeordneten und nicht dargestellten elektronischen Bauteilen 118 (5) ist eine Steuer- und Auswerteeinheit 108 verbunden.
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In der 1 ist weiterhin ein Auslöser 110 (Target) dargestellt, der sich in Richtung 122 des Näherungssensors 100 bewegt und sich in der dargestellten Position noch außerhalb des Ansprechabstand 112 des Näherungssensors 100 befindet.
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Alle Spulen der Spulenanordnung 200 sind als Planarspulen ausgebildet, die beispielsweise mittels eines Schmelz- oder Druckverfahrens auf die Oberfläche der Platine 106 aufgetragen sind. Die vier Empfangsspulen 210 sind in Reihe geschaltet und auf der Unterseite der Platine 106 miteinander leitend verbunden.
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Die zentrale Sendespule 220 ist im Zentrum der Spulenanordnung (Cu-Lage) positioniert und um diese sind die vier Empfangsspulen 210 angeordnet. Durch die elektrische Zusammenschaltung bildet sich eine Differenzspannung, deren Veränderung die Detektion eines metallischen Auslösers (Targets) darstellt. Dies erfolgt unabhängig von der Leitfähigkeit des Auslösers. Es besteht somit ein Faktor 1, der im industriell üblichen Erkennungs- (Schalt-)abstand ausgewertet werden kann.
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Die elektrische Zusammenschaltung ist, wie vorstehend beschrieben, eine Reihenschaltung der vier Empfangsspulen. Wesentlich ist hierbei, dass die Einzelspulen elektrisch so miteinander verbunden sind, so dass sich durch die Richtung des Stromflusses eine Differenzspannung über alle Empfangsspulen ergibt, mit der das Spulensystem abgleichbar ist. Diese auszuwertende Differenzspannung ergibt einen Nulldurchgang.
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Die Spulengrundflächen 230, besser zu erkennen in den 2, 3 und 4, überlappen sich nicht. In dem gezeigten Beispiel der 1, sind die vier Empfangsspulen 210 nicht in symmetrisch mit identischen Winkelabständen um die zentrale Sendespule 220 angeordnet, wobei ein Winkel gemeint ist, der als Zentrum den Durchtrittspunkt der Längsachse 102 hat und durch die Durchtrittspunkte der jeweiligen Spulenachsen verläuft. Vorliegend schließt das oben dargestellte Paar an Empfangsspulen 210 zwischen sich einen ersten Winkel ein, der identisch ist mit dem Winkel, den das untere Paar an Empfangsspule 210 einschließt. Zwischen der linken oberen und der linken unteren Empfangsspule 210 ist ein größerer zweiter Winkel aufgespannt, der analog der rechten Empfangsspulen 210 ausgebildet ist.
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Die vier Spulenachsen 212 der vier Empfangsspulen 210 sind von der Längsachse 102 und damit auch von der Spulenachse 222 der Sendespule 220 im identischen Radius angeordnet. Weiterhin weist die Platine 106 als Anflachungen Führungsflächen 124 auf, die zur Lagepositionierung innerhalb des Gehäuses 104 dienen.
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Der Vorteil, der in der 1 gezeigten Ausführungsform des Näherungssensors 100 und insbesondere der Spulenanordnung 200 auf der Platine 106 besteht darin, dass die Empfangsspulen 210 sehr eng an die zentrale Sendespule 220 herangeführt werden konnten und weiter in dem zweiten Winkel viel Platz für nötige Verlötungen zur Verfügung steht.
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Der Abstand 128 der äußersten Windung der Sendespule 220 zur jeweiligen gegenüberliegenden äußersten Windung einer der Empfangsspulen 210, beträgt auf der Strecke zwischen den jeweiligen Spulenachsen 212 dem inneren Windungsabstand der Empfangsspule oder der Sendespule.
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Die 2 zeigt eine Anordnung einer Spulenanordnung 200 mit fünf Empfangsspulen 210 und einer zentralen Sendespule 220, die in einer gemeinsamen Spulenebene 114 liegen, wie in der Schnittdarstellung des Teilbildes II. erkennbar ist.
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In Teilbild I. ist dargestellt, dass die Empfangsspulen 210 bzw. deren Spulenachsen 212 symmetrisch als Petaloide um die zentrale Längsachse 102 bzw. die zentrale Spulenachse 212 der Sendespule 220 angeordnet sind. Weiterhin ist mit dem Bezugszeichen 130 die Richtung der Ansicht auf die Schnittdarstellung im Teilbild II. angezeigt. Statt einer Führungsfläche als Einbau- und Positionierhilfe, weist die Platine 106 eine Führungsnut 126 auf.
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In der 3 ist ein Spulenanordnung 200 dargestellt, die aus sechs Empfangsspulen 210 besteht, welche symmetrisch und mit gleichen Winkelabständen um die eine zentrale Sendespule 220 herum angeordnet sind. Das Ausführungsbeispiel nach 3 unterscheidet sich von dem nach 1 oder 2 neben der Anzahl der Empfangsspulen 210 darin, dass die Spulenebene 114 im Sinne dieser Erfindung auch zentral in der Platine 106 verlaufen kann. Hierbei sind die Empfangsspulen 210 auf der einen Seite der Platine 106 angeordnet und die eine, zentrale Sendespule 220 ist auf der gegenüberliegenden Seite der (selben) Platine 106 angeordnet (Teilbild II.). Die eine zentrale Sendespule 220 kann, wie in 4 gezeigt, auch aus einer Gruppe von mehreren Sendespulen 220 bestehen.
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Dabei kann auch vorgesehen sein, dass mindestens eine Art der Spulen (Empfangs- und/oder Empfangsspulen) in einer Vertiefung oder Aussparung der Platine angeordnet ist. In den Teilbildern I. und III. sind die oberen Spulen 210, 220 als durchgehende (Kreis-)Linien dargestellt und die rückseitigen Spulen 210, 220 als gestrichelte (Kreis-)Linien. Die Platine 106 weist an der Außenkontur zwei Führungsnuten 126 auf, die analog der Führungsflächen 124, wie zur 1 beschrieben, zur Positionierung innerhalb des Gehäuses 104 dienen.
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Das Ausführungsbeispiel nach 4 unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsbeispielen dadurch, dass eine Gruppe aus drei Sendespulen 220 zentral in der Mitte von ebenfalls drei Empfangsspulen 210 angeordnet ist. Die zentrale Längsachse 102. Die Sendespulen 220 sind untereinander in Reihe geschaltet und als Gruppe mit den ebenfalls in Reihe geschalteten Empfangsspulen 210 verbunden.
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Die zentrale Längsachse 102 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit keiner der Spulenachsen 212 deckungsgleich.
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In der 5 ist der gesamte Näherungssensor 100 dargestellt, wobei die Platine 106 mit der dortigen Spulenanordnung 200 auf der Erfassungsseite 132 angeordnet ist und das Verbindungskabel 116 zur daten- und stromleitenden Verbindung zur Platine 106 und deren Bauteile 118 der Steuer- und Auswerteeinheit 108, auf der Verbindungsseite 134 angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Näherungsschalter
- 102
- Längsachse
- 104
- Gehäuse
- 106
- Platine
- 108
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 110
- Auslöser, Target
- 112
- Ansprechabstand
- 114
- Spulenebene
- 116
- Verbindungskabel
- 118
- Bauteile
- 120
- Führungsnut
- 122
- Richtung
- 124
- Führungsfläche
- 126
- Führungsnut
- 128
- Abstand
- 130
- Richtung
- 132
- Erfassungsseite
- 134
- Verbindungsseite
- 200
- Spulenanordnung
- 210
- Empfangsspulen
- 212
- Spulenachse von 210
- 214
- Spulenebene
- 220
- Sendespule
- 222
- Spulenachse von 220
- 230
- Spulengrundfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202006004158 U1 [0003]
- DE 102006053023 A1 [0004]
- DE 10057773 B4 [0005]
