DE10318350B3

DE10318350B3 - Induktiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE10318350B3
Application number: DE10318350A
Authority: DE
Inventors: Jens Müller; Stefan Ehls
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 2003-04-23
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: DE10318350C5; DE10362165A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einer Sendespule (S) und einer in deren magnetischem Wechselfeld (H) derart angeordneten Empfangsspule (E), dass der vom magnetischen Wechselfeld (H) in der Empfangsspule eingeprägte magnetische Fluss (Φ) in der Schalt- oder Ruhestellung des Näherungsschalters Null oder nahe Null ist, wobei die Spulen (S, E) benachbart versetzt zueinander angeordnet sind, dass die aus der Spulenfläche (16) der Sendespule (S) austretenden Feldlinien (H), die die Spulenfläche (17) der Empfangsspule (E) in einer Richtung durchdringen, die Spulenfläche (17) der Empfangsspule (E) auch in Gegenrichtung durchdringen, wesentlich ist, dass eine der beiden Spulen, insbesondere die Empfangsspule (E), eine ringförmige Spulenfläche (17) aufweist und die andere, insbesondere die Sendespule (S), eine kreisförmige Spulenfläche (16) aufweist, deren Peripherie von der einen der beiden Spulen, insbesondere der Empfangsspule (E), ringsum überlappt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter gemäß Gattungsbebegriff des Anspruches 1.

Ein Näherungsschalter wird von der DE 40 31 252 beschrieben. Dort wird die Sendespule von einer Oszillatorspule ausgebildet. Die Empfangsspule besteht aus zwei Teilspulen, die koaxial zur Oszillatorspule hinter- bzw. vor derselben angeordnet sind. In dem die beiden Teilspulen der Empfangsspule mit gegensinnigen Wicklungssinn geschaltet sind, addieren sich die beiden magnetischen Spannungen, die von der Sendespule in den beiden Teilspulen induziert werden, zu Null. Dies hat die Folge, dass an den Klemmen der Empfangsspule eine Spannung Null oder nahe Null anliegt. Diese, in der DE 40 31 252 beschriebene Anordnung ist außerordentlich kritisch betreffend mechanische Deformationen, die beim Gebrauch oder bei einer Erwärmung des Näherungsschalters auftreten können. Dies hat Fehlschaltungen zur Folge und insbesondere eine Änderung des Schaltabstandes.

Weiter ist es bei Minensuchgeräten oder Metalldetektoren, die nach dem Transmitter-Receiver-Verfahren arbeiten, bekannt, die Sendespule von der Empfängerspule magnetisch zu entkoppeln. Als Entkopplung ist dort bekannt, die beiden Spulen senkrecht aufeinander anzuordnen, so dass möglichst wenig der von der Sendespule erzeugten Feldlinien durch die Spulenfläche der Empfängerspule gehen. Bei den TR-Detektoren wurde auch vorgeschlagen, die Sendespule und die Empfängerspule in einer Ebene anzuordnen und die Spulen so zu plazieren, dass die gegenseitige Beeinflussung möglichst gering ist. Als Sendespule werden dort unter anderem "Open Center Coils" verwendet, die in der Mitte eine mehrere Zentimeter große Öffnung haben. Ihre Durchmesser liegen etwa zwischen 20 und 25 cm. Für Tiefenortungszwecke liegen die Durchmesser sogar bei noch höheren Werten.

Anders als bei Metallsuchgeräten oder Minensuchgeräten ist es bei induktiven Näherungsschaltern von entscheidender Bedeutung, dass der Schaltabstand unkritisch gegenüber äußeren Beeinflussungen ist. Der Schaltabstand muss auch bei verschiedenen Betriebstemperaturen des Näherungsschalters konstant bleiben. Auch besitzen Näherungschalter erheblich geringere Spulendurchmesser, als Minensuchgeräte. Die Spulendurchmesser dürfen dort in der Regel nicht mehr als 5 cm betragen. Oftmals sind sie noch kleiner.

Die DE 198 50 749 C1 offenbart einen Sensor, der bei Annäherung von Metallen anspricht. Dieser soll ein axial ausgerichtetes Spulensystem besitzen. Die Spule sind dort auf Leiterplatten angeordnet.

Die JP 06045904 bzw. die EP 0 276 113 befassen sich mit gattungsgemäßen kontaktlosen Schaltern, bei denen sich die Sendespule und die Empfangsspule bereichsweise derart überlappen, dass die aus der Spulenfläche der Sendespule austretenden Feldlinien die Spulenfläche der Empfangsspule in beiden Richtungen durchdringen. Indem die Feldlinien die Spulenfläche der Empfangsspule nicht nur in der einen, sondern auch in der Gegenrichtung durchdringen, hat dies zur Folge, dass der magnetische Fluss in der Empfangsspule insgesamt Null oder nahe Null. Das in der Sendespule erzeugte magnetische Wechselfeld induziert in einer Schaltfahne aus einem Metall elektrische Wirbelströme. Das von der Sendespule ausgesandte magnetische Feld induziert aber sowohl bei fehlendem Auslöser als auch beim Schaltfeld befindlichen Auslöser so gut wie keine Spannung in der Empfangsspule. Dies bedeutet, dass die Empfangsspule nur das magnetische Wechselfeld empfängt, welches von den im Auslöser induzierten Wirbelströmen erzeugt wird. Dadurch ist die Emp fangsspule sehr empfindlich. Lediglich aus der Pegeländerung der in der Empfangsspule induzierten Spannung kann das Schaltsignal erzeugt werden.

Ausgehend von dem zuletzt genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Näherungsschalter dahingehend weiterzubilden, dass der Schaltabstand der weitestgehend unkritisch gegenüber Temperaturschwankungen und mechanischen Beeinflussungen des Spulenträgerkörpers ist.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung. Die Unteransprüche geben eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung an.

Die beiden Spulen sind jetzt kaum noch axial entfernt voneinander. Auf eine Mehrteiligkeit der Spule kann verzichtet werden. Der Schaltabstand ist nicht mehr kritisch gegenüber mechanischen Deformationen oder Temperaturänderungen. Bevorzugt befinden sich die beiden Spulen auf einer gemeinsamen Leiterplatte.

Die eine Spule kann auf der Vorderseite und die andere Spule auf der Rückseite der Leiterplatte angeordnet sein. Da derartige Leiterplatten eine außerordentlich geringe Temperaturausdehnung besitzen, ist die gewünschte Temperaturstabilität gewährleistet. Der Schaltabstand ist darüber hinaus auch unkritisch gegenüber Deformationen, da sich eine Verbiegung der Leiterplatte auf beide Spulen in gleichem Maße auswirkt. Dies ist insbesondere deshalb gegeben, weil eine Spule ringförmig von der anderen Spule überlappt wird.

Es ist dabei von Vorteil, wenn insbesondere die Sendespule eine spiralförmige Wicklung aufweist. Diese Wicklung erstreckt sich dann z. B. nahezu über die gesamte Spulenfläche. Die Spulenfläche der Empfängerspule kann sich bei dieser Lösung über die gesamte Peripherie der Sendespule erstrecken. Es kann sich dabei um eine zu einem offenen Ring gebogene Schmalfläche handeln. Die Wicklungen dieser Spule können sich auch in gewisser Weise über die Spulenfläche verteilen. Beide Spulen sind Flachspulen, deren Wicklungen von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte ausgebildet sind. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wechselspannung eines die Sendespule betreibenden Oszillators mit dem insbesondere verstärkten Empfangssignal der Empfängerspule gemischt wird. Dies hat zur Folge, dass das von der Empfängerspule empfangene Signal nicht nur gleichgerichtet wird. Es werden auch Wechselfeld-Störfelder ausgefiltert. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Ausgangssignal des Mischers mit einem Tiefpassfilter geglättet und anschließend verstärkt wird. Das dadurch erzeugte Gleichspannungssignal wird von einer Auswerteschaltung in bekannter Weise ausgewertet. Sind die beiden Spulen derart aufeinander abgestimmt und örtlich justiert, dass im Normalfall ein geringer magnetischer Fluss in der Empfangsspule eine Wechselspannung induziert, so kann die Auswerteschaltung auf einen Nulldurchgang des Pegels reagieren. In einer anderen Variante ist vorgesehen, dass die Wechselspannung, die in der Empfangsspule induziert wird von einem Verstärker verstärkt wird. Dieses Verstärkerausgangssignal wird auf den Schwingkreis, von dem die Sendespule ein Teil ist, geschaltet. Diese Rückkopplung bewirkt, dass die Schwingung des Oszillator von der Lage des Auslösers abhängt. Es sind grundsätzlich zwei Betriebsarten möglich. In einer ersten Betriebsart schwingt der Oszillator bei nicht angenähertem Auslöser zufolge eines geringen in der Empfangsspule induzierten Wechselfeldes. Durch Annähern des Auslösers wird bei Erreichen des Schaltabstandes dieses Feld derart gestört bzw. verringert, dass die Schwingung des Oszillators bei Erreichen des Schaltabstandes aufhört. In einer zweiten Betriebsart setzt die Schwingung erst bei Erreichen des Schaltabstandes ein.

Auch bei der erfindungsgemäßen Lösung kann es vorgesehen sein, dass eine Sendespule mit einer Empfangsspule mit mehreren Wicklungen zusammenwirkt. Diese Wicklungen haben aber den gleichen Wicklungssinn und überlappen die Sendespule bereichsweise. Ferner kann es vorgesehen sein, dass die beiden Spulen die Form eines D besitzen, wobei sie sich im Bereich des geraden Abschnittes des D überlappen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Näherungsschalters anhand der beiden Spulen und eines von der Sendespule erzeugten magnetischen Feldes,
2 eine Darstellung gemäß 1 in der Spulenebene,
3 eine alternative Spulenanordnung in der Draufsicht,
4 ein Schnitt gemäß der Linie IV-IV in der 3,
5 ein Schaltungsbeispiel,
6 ein zweites Schaltungsbeispiel,
7 ein drittes Schaltungsbeispiel,
8 eine weitere alternative Spulenanordnung,
9 eine weitere alternative Spulenanordnung,
10 eine weitere alternative Spulenanordnung und
11 eine Spulenanordnung mit einer Abgleichschaltung.
Die 1 und 2 zeigen die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung einer Empfangsspule E und einer Sendespule S. Die Sendespule S ist eine Flachspule mit einer Spulenfläche 16. Auch die Empfangsspule E ist eine Flachspule mit einer Spulenfläche 17. Bei der Darstellung in den 1 und 2 sind die Wicklungen 15, 14 der beiden Spulen E, S auf den Spulenumfang konzentriert. Von der mit einem Wechselstrom von mehreren Megahertz betriebenen Sendespule S wird ein magnetisches Wechselfeld H erzeugt. In diesem magnetischen Wechselfeld H liegt die Spulenfläche 17 der Empfangsspule. Die Spulen E und S liegen sehr dicht beieinander. Sie sind nur einige Millimeter voneinan der entfernt. Ihr Spulendurchmesser ist wesentlich größer als ihr Abstand. Der Abstand der beiden Spulen beträgt vorzugsweise 1 mm oder weniger als 1 mm. Die Spulenfläche 17 der Empfangsspule E ist so gegenüber dem magnetischen Wechselfeld H angeordnet, dass die Feldlinien, die aus der Spulenfläche 16 entstammen und durch die Spulenfläche 17 der Empfangsspule hindurchgehen, durch die Spulenfläche 17 der Empfangsspule auch wieder zurücktreten. Dies hat zur Folge, dass der in der Empfangsspule erzeugte magnetische Fluss, also das Flächenintegral über das magnetische Wechselfeld H dort gleich Null oder nahe Null ist. Dies hat den Erfolg, dass die in der Empfangsspule induzierte Spannung gleich Null oder sehr gering ist, wenn ansonsten keine weiteren Wechselfelder vorhanden sind.
Bei dem in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Wicklungen der beiden Spulen S und E jeweils auf den voneinander wegweisenden Seiten einer Leiterplatte. Eine der beiden Spulen kann auch in einer Mittelebene einer mehrschichtigen Leiterplatte angeordnet sein. Dort hat die Wicklung 15 der Sendespule einen spiralförmigen Verlauf. Die Spirale 15 erstreckt sich über die gesamte kreisscheibenförmige Spulenfläche 16. Die Empfängerspule besitzt auch eine spiralförmig verlaufende Wicklung 14. Auch diese Wicklung wird von einer Leiterbahn 13 ausgebildet.
Bei der Empfangsspule konzentrieren sich die Wicklungen 13, 14 auf den Umfangsbereich der Spulenfläche 17. Die Kontur der Spulenfläche 17 der Empfangsspule E entspricht dort einem Ring, der eine Öffnung besitzt. Die Spulenfläche 17 der Empfangsspule erstreckt sich somit nur über die Peripherie der Sendespule S. Das Zentrum der Sendespule S wird nicht von der Empfangsspule E überlappt.
Bei der in 5 dargestellten Schaltung bezeichnet die Bezugsziffer 3 einen Oszillator, der die Sendespule mit einer hochfrequenten Wechselspannung ver sorgt. Diese Sendespule S kann aber auch Teil eines Oszillators 3 sein. Mit Bezugsziffer 4 ist dort ein Anzeiger bezeichnet, der die Wechselspannung, die in der Empfangsspule E induziert ist, anzeigt. Der Anzeiger ist vorzugsweise ein Digitalanzeiger, der lediglich das Erreichen des Auslösers des Schaltabstandes anzeigt.
Bei dem in der 6 dargestellten Schaltungsbeispiel wird die Sendespule S von einem Oszillator 3 mit einer Wechselspannung versorgt. Das Wechselspannungssignal des Oszillators 3 wird auch in einem Mischer 5 eingekoppelt. In den Mischer wird ebenfalls das von einem Verstärker 4 erzeugte Empfangssignal der Empfangsspule E eingekoppelt. Der Mischer liefert ein selektiv gleich gerichtetes Eingangsignal des Verstärkers 4. Es werden nur solche Signale gleichgerichtet und über den Mischer übertragen, die frequenzgleich zum Oszillatorsignal liegen. Diese wechselnde Gleichspannung wird über einen Tiefpaßfilter geglättet. Das geglättete Signal wird über einen Verstärker verstärkt und in bekannter Weise in einer Auswerteschaltung 9 ausgewertet. Die Auswerteschaltung 9 kann einen Schwellwertschalter aufweisen. Es ist aber auch vorgeshen, dass ein Nulldurchgang zur Erzeugung eines Schaltsignales führt.
Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Oszillator 3, dessen Spule die Sendespule S ist, von einem Verstärker 5 betrieben, dessen Eingangssignal das Ausgangssignal der Empfangsspule E ist. Diese Schaltung kann so betrieben werden, dass bei nicht angenähertem Auslöser in der Empfangsspule eine geringe Wechselspannung induziert wird. Über den Verstärker 5 wird aufgrund dieser Wechselspannung 5 der Oszillator 3 betrieben. Ein durch die Annäherung eines Auslösers erzeugtes Gegenfeld führt zum Zusammenbruch des in der Empfangsspule induzierten Wechselspannungssignals. Dies hat zur Folge, dass der Oszillator 3 im Schaltzustand nicht schwingt. Diese Schaltung kann aber auch genau anders herum betrieben werden. Sie schwingt dann erst bei angenähertem Auslöser.
In der 8 ist eine alternative Spulenanordnung gezeigt. Eine zentrale kreisförmige Sendespule ist von insgesamt 4 ebenfalls kreisförmigen Wicklungen einer Empfangsspule E umgeben. Jede der vier Wicklungen E überlappt einen Peripherieabschnitt der zentralen Sendespule S. Die in 9 dargestellte Spulenanordnung entspricht im Wesentlichen der in 3 und 4 dargestellten Spulenanordnung, anders als dort besitzt die Empfangsspule E aber einen Peripherieabschnitt, der die Spulenfläche der Sendespule nicht überlappt. Die in der Zeichnung schräg zur Radialrichtung verlaufende Striche, die mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichnet sind symbolisieren einzelnen Leiterbahnen zum Abschirmen. Diese Leiterbahnabschnitte sind mit ihrem radial einwärtsgerichteten Ende einer nicht dargestellten Extra-Leiterbahn verbunden, die auf Masse liegt. Das in der 10 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt zwei D-förmige Spulen E, S, die spielgelbildlich zueinander angeordnet sind und sich im Bereich des D-Steges überlappen. Diese Spule hat zufolge des länglichen Überlappungsbereiches eine achssymmetrische Charakteristik.
Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Empfangssignal der Empfängerspule E über einen Spannungsteiler, z. B. Potentiometer 10 abgegriffen. Das abgegriffenen Signal wird einem Verstärker zugeleitet, der die Sendespule S bestromt. Hier überlappen sich die Spulenflächen der Sendespule S und der Empfangsspule E. Der Spannungsteiler ermöglicht den Abgleich der Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule. Die Kopplung der Spulen wird so eingestellt, dass das System gerade schwingt. Bei Annäherung mit einem von einem Blech ausgebildeten Auslöser wird das Sendefeld geschwächt. Die Schwingung reißt ab. Auch hier ist eine umgekehrte Funktion möglich. Der Oszillator schwingt bei Annähern des Auslösers an.

Claims

Induktiver Näherungsschalter mit einer Sendespule (S) und einer in deren magnetischem Wechselfeld (H) derart angeordneten Empfangsspule (E), dass der vom magnetischen Wechselfeld (H) in der Empfangsspule eingeprägte magnetische Fluss (Φ) in der Schalt- oder Ruhestellung des Näherungsschalters Null oder nahe Null ist, wobei die Spulen (S, E), benachbart versetzt zueinander angeordnet sind, dass die aus der Spulenfläche (16) der Sendespule (S) austretenden Feldlinien (H), die die Spulenfläche (17) der Empfangsspule (E) in einer Richtung durchdringen, die Spulenfläche 17 der Empfangsspule (E) auch in Gegenrichtung durchdringen, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Spulen, insbesondere die Empfangsspule (E) eine ringförmige Spulenfläche (17) aufweist und die andere, insbesondere die Sendespule (S) eine kreisförmige Spulenfläche (16) aufweist, deren Peripherie von der einen der beiden Spulen, insbesondere der Empfangsspule (E) ringsum überlappt wird.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Spule (S, E) von einer spiralförmigen Leiterbahn (12) einer Leiterplatte gebildet ist.
Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung eines die Sendespule (S) betreibenden Oszillators (3) mit dem insbesondere verstärkten Empfangssignal der Empfangsspule (E) gemischt (5) wird.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Mischers (5) mit einem Tiefpassfilter (7) geglättet und verstärkt wird.
Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem von einem Verstärker (8) verstärkten Empfangssignal der Empfangsspule (E) ein Oszillator (3) der Sendespule (S) betrieben wird.
Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Peripherie der Sendespule (S) von einer Vielzahl miteinander verbundenen Empfangsspulen (E) überlappt wird.
Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Klemmen der Empfangsspule (E) ein Signal über einen Spannungsteiler (10) abgegriffen wird, welches verstärkt in die Sendespule (S) eingespeist wird.