DE19834071A1 - Induktiver Näherungsschalter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einer rückwärtig einer "aktiven" Gehäusewandung sitzenden Spule eines Empfängerschaltkreises, dessen Empfängersignal sich beim Annähern eines metallischen Gegenstandes ändert, wobei die Spule wirkverbunden mit einem Schaltverstärker, welcher seinen Schaltzustand ändert, wenn der Gegenstand einen vorbestimmten Abstand erreicht. Um den Einfluß einer Belegung der aktiven Fläche mit Schweißstaub auf den Schaltabstand zu verringern, ist ein der "aktiven" Gehäusewandung (2) zugeordneter Ergänzungssensor zur elektronischen Kompensation von durch metallische, insbesondere ferritische Ablagerungen auf der "aktiven" Gehäusewandung (2) erzeugten Änderungen der Empfängersignale vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschal­ ter gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer Näherungsschalter ist aus der DE 40 31 252 C1 bekannt. Der dort beschriebene Nähe­ rungsschalter arbeitet nach dem Prinzip, bei dem eine Spule, die Teil eines LC-Oszillators ist, ein magneti­ sches Wechselfeld erzeugt und eine zusätzliche Spulen­ kombination, die aufgeteilt an verschiedenen Orten in Bezug zum Erfassungsobjekt, die Feldstärke auswertet. Die Spulenkombination besteht dort aus zwei hintereinan­ dergeschalteten, gegensinnig gewickelten Spulen, in welchen eine Differenz-Wechselspannung induziert wird. Diese Differenz-Wechselspannung wird an den Eingang des Oszillatorverstärkers derart zurückgeführt, daß bei einem Nulldurchgang der Differenz-Wechselspannung der Oszillator seinen Schwingungszustand sprunghaft ändert. Diese Änderung wird mit einer Auswerteschaltung zur Gewinnung eines Schaltsignals benutzt.

Im Stand der Technik sind ferner induktive Näherungs­ schalter bekannt, die mit einer Spule ausgestattet sind, die in einem Ferrit- oder Carbonylkern liegen. Diese Spule ist Teil eines LC-Oszillators, welcher ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Die in dem sich nä­ hernden metallischen Gegenstand induzierten Ringströme entziehen dem Oszillator Energie, was zu einer Änderung des Schwingungszustandes des Oszillators führt. Diese Änderung wird genutzt, um den Schaltzustand des Nähe­ rungsschalters zu ändern.

Der Einsatz derartiger Näherungsschalter und insbesonde­ re solcher mit Luftspulen oder Carbonylkern erfolgt in Karosserie-Montageanlagen, in welchen die Automobil-Ka­ rosserien zusammengeschweißt werden. Der beim Schweißen erzeugte Schweißstaub bzw. die dort anfallenden Schweiß­ perlen können sich auf der "aktiven" Gehäusewand des Näherungsschalters niederschlagen. Wegen der ferro­ magnetischen Eigenschaft dieser Schweißperlen bzw. dieses Schweißstaubes kommt es zu einer Beeinflussung des Oszillator-Schwingungszustandes. Näherungsschalter mit einem Carbonylkern als Teil eines LC-Oszillators werden durch Schweißstaub auf der aktiven Fläche derart beeinflußt, daß sie ihren Schaltabstand erhöhen und ab einer gewissen Bedeckung der aktiven Fläche ihren Aus­ gangszustand fehlerhaft ändern.

Induktive Näherungsschalter, die mit zwei Luftspulen arbeiten, also solche, die eine Differenz-Wechselspan­ nung auswerten, werden ebenfalls durch eine Bedeckung der "aktiven" Fläche durch permeables Material negativ beeinflußt, und zwar in der Art, daß sie ihren Schaltab­ stand verringern. Dies kann zur Folge haben, daß sich dem Näherungsschalter nähernde metallische Gegenstände nicht detektiert werden, und damit der Schaltzustand des Näherungsschalters fehlerhaft ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem induktiven Näherungsschalter den Einfluß einer Belegung der "aktiven" Fläche mit Schweißstaub auf den Schaltabstand zu verringern.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angege­ bene Erfindung. Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Es ist zunächst und im wesentlichen darauf abgestellt, daß der "aktiven" Gehäusewandung ein Ergänzungssensor zugeordnet ist. Dieser Erganzungssensor besitzt vorteil­ hafterweise seine höchste Sensitivität im Bereich der "aktiven" Gehäusewandung, so daß er in der Lage ist, im wesentlichen unabhängig von der Annäherung des metalli­ schen Gegenstandes die metallischen oder ferritischen Partikel zu detektieren. Das Sensorsignal dieses Ergän­ zungssensors wird dazu beigezogen, um die belegungsbe­ dingte Änderung der Empfängersignale derart zu kompen­ sieren, daß der Näherungsschalter trotz Belegung bei gleichbleibendem Schaltabstand schaltet. Es ist vorteil­ haft, wenn hinter der "aktiven" Gehäusewandung eine Ergänzungsspule sitzt. Diese kann nächstliegend und benachbart zu der "aktiven" Gehäusewandung angeordnet sein. Die Ergänzungsspule besitzt in vorteilhafter Weise einen geringeren Spulendurchmesser, als die Emp­ fängerspule. Sie dient zur elektronischen Kompensation von durch metallische, insbesondere ferritische Ablage­ rungen auf der "aktiven" Gehäusewandung erzeugten Ände­ rungen der Empfängersignale. Die Empfängerspule kann eine Luftspule sein, die zusammen mit einer weiteren Empfängerspule wirkt, wobei die Differenz der in den beiden Spulen induzierten Wechselspannungen zur Schalt­ signalableitung beigezogen wird. Die Ergänzungsspule ist dann bevorzugt in gegensinniger Wicklungsrichtung zur ersten Luftspule in Reihe geschaltet und kann auch Luftspule sein. Die Windungszahl, der Durchmesser und die räumliche Lage der Ergänzungsspule ist bevorzugt so gewählt, daß unabhängig vom Bedeckungsgrad der "akti­ ven" Wandungsfläche mit Metallstaub oder dergleichen die Differenzspannung bei gleichbleibendem Schaltab­ stand zu Null wird bzw. der Oszillator-Schwingungszu­ stand unbeeinflußt bleibt. In einer bevorzugten Ausge­ staltung der Erfindung sitzt die Ergänzungsspule auf einer Platine. Sie kann dabei durch eine spiralförmig freigeätzte Leiterbahn ausgebildet sein. Vorzugsweise sitzt die Spule des Empfängerschaltkreises ebenfalls auf der Platine. Während die dem Empfängerschaltkreis zugeordnete Spule radial außen sitzt, sitzt die Ergän­ zungsspule radial innen. In einer Variante der Erfin­ dung kann die Empfängerspule auch auf einem Carbonyl­ kern sitzen und als Oszillatorspule eines Oszillators ausgebildet sein. Die Ergänzungsspule ist dann vorzugs­ weise der Teil einer Kompensatorschaltung. Mittels dieser Kompensatorschaltung läßt sich der Bedeckungs­ grad der "aktiven" Wandung bestimmen. Diese Kompensati­ onsschaltung kann wiederum Teil einer Auswerteschaltung sein. Abhängig von diesem so bestimmten Bedeckungsgrad kann die Kompensatorschaltung ein Ausgangssignal lie­ fern, welches als Steuersignal einem Schaltverstärker zugeführt wird. Der Schaltverstärker schaltet den Aus­ gang entsprechend der Amplitude oder der Frequenz der vom Oszillator erzeugten Hochfrequenz. Die Höhe des Schwellwertes wird vom Steuersignal derartig beein­ flußt, daß damit die belegungsbedingte Verschiebung kompensiert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Aufbau des relevanten Bereiches eines nach dem Differenz-Span­ nungsprinzip arbeitenden Näherungsschal­ ters,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die rückwärtig der "akti­ ven" Gehäusewand sitzende Spulenträgerplatine,

Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 ein Schaltungsbeispiel eines Näherungsschal­ ters gemäß Stand der Technik,

Fig. 5 ein Schaltungsbeispiel eines Näherungsschal­ ters gemäß der Erfindung und

Fig. 6 ein Schaltungsbeispiel eines weiteren Nähe­ rungsschalters, bei welchem die Spule Teil eines Oszillators ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 1 des Näherungsschalters strichpunktiert skizziert. Eine Gehäusewandung 2 des Näherungsschalter­ gehäuses bildet eine "aktive" Gehäusewandung aus. Unmit­ telbar hinter der "aktiven" Gehäusewandung sitzt eine Platine 4 in Parallellage zur Gehäusewandung. Auf der Platine 4 sind drei Spulen L2, L3, L4 aufgebracht. Die Spule L3 besteht nur aus einer einzigen Windung und liegt etwa im Rand der im wesentlichen kreisförmigen Platine. Die Spule L4 ist zur Spule L3 in Reihe geschal­ tet und besitzt einen gegensinnigen Drehsinn. Die Spule L4 besitzt mehr Windungen, als die Spule L3. Der größte Durchmesser der Spule L4 entspricht etwa dem halben Durchmesser der Spule L3.

Beim Ausführungsbeispiel ist die Spule L3 die erste Spule einer aus zwei Spulen bestehenden Differenzspu­ len-Anordnung L2, L3.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Schaltung eines Nähe­ rungsschalters, wie er in der DE 40 31 252 C1 näher beschrieben ist, ist ein Verstärker V vorgesehen, wel­ cher eine Ausgangsspannung U1 liefert.

Das von einem Hochfrequenzgenerator abgestrahlte Hoch­ frequenzfeld wird durch einen in das Feld gebrachten metallischen Auslöser beeinflußt derart, daß die in den in Axialrichtung zur Spule hintereinander angeordneten Empfängerspulen L2 und L3 induzierte Spannung beein­ flußt wird. Die Empfängerspulen L2 und L3 sind gegensin­ nig geschaltet, so daß sich die beiden dort induzierten Wechselspannungen kompensieren können. Sind die dort induzierten Wechselspannungen 2 und 3 gleich groß, so ist die am Eingang des Verstärkers V anliegende Diffe­ renzspannung UD gleich Null. Wechselt die Differenzspan­ nung UD ihr Vorzeichen, so wechselt auch die am Ausgang des Verstärkers V anliegende Ausgangsspannung 1 ihr Vorzeichen. Dieser Vorzeichenwechsel wird ausgenutzt, um einen Schaltvorgang auszuführen.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung summieren sich die an den Empfängerspulen L2 und L3 anliegenden Spannungen U2 und U3 zu einer Diffe­ renzspannung UD1. Zufolge einer Belegung der "aktiven" Gehäusewandung mit Schweißstaub oder dergleichen, än­ dern sich aber die Bedingungen, unter welchen die Diffe­ renzspannung UD1 gleich Null wird. Je nach Bedeckungs­ grad entspricht der Vorzeichenwechsel der Spannung UD1 einem anderen Schaltabstand.

Der Differenzspulenanordnung L2, L3 ist eine Erganzungs­ spule L4 in Serie geschaltet. Die Spulen L2 und L3 liegen in einem unterschiedlichen Abstand zur "aktiven" Gehäusewandung. Die Ergänzungsspule L4 ist dabei in Reihe zur Spule L3 geschaltet, welche näher an der "aktiven" Gehäusewandung 2 liegt, als die Spule L2. Der Windungssinn der Ergänzungsspule L4 ist dabei entgegen­ gesetzt zum Windungssinn der Spule L3. Dies hat zur Folge, daß die sich an der in Serie zusammengeschalte­ ten, aus drei Spulen bestehenden Spulenanordnung L2, L3, L4 aufbauende Wechselspannung UD2 dann ihr Vorzei­ chen wechselt, wenn der metallische Auslöser den vorbe­ stimmten Schaltabstand überschreitet, unabhängig von dem Bedeckungsgrad der "aktiven" Gehäusewandung 2. Die Bedeckungen der Gehäusewandung beeinflussen die Spulen L3 und M etwa in gleichem Maße, so daß zufolge ihrer Antiparallelität eine Kompensation stattfindet. Da der Durchmesser der Ergänzungsspule L4 aber erheblich klei­ ner als der Durchmesser der Empfängerspule L3, wird die Empfängerspule L3 deutlich höher von der Feldstörung des metallischen Auslösers beeinflußt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sitzt die Empfängerspule L3 auf dem Rand einer sich unmittelbar hinter der "aktiven" Gehäusewandung 2 be­ findlichen Platine 4. Die Spule L3 besitzt nur eine Windung. Im Zentrum der Spule L3 befindet sich eine aus mehreren Windungen bestehende Spule L4, welche Windungs­ richtung entgegengesetzt verläuft zur Spule L3. Unmit­ telbar hinter der Platine sitzt auf einem Spulenkörper eine Felderzeugungsspule L1, welche Teil eines Oszilla­ tors ist. Auf der Platinenrückseite sitzt eine weitere Empfängerspule L2, welche mit der Spule L3 in Serie geschaltet ist.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur die Ergänzungsspule L4 auf einer Platine angeord­ net. Die zur Differenzspulenanordnung gehörenden Spulen L2 und L3 sind beide auf einem Spulenkörper 3 diesseits und jenseits einer Felderzeugungsspule L1 aufgewickelt. Die Auswerteschaltung ist auf einer Platine 5 angeord­ net.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Während bei den in den Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen die Spulen Luftspulen sind, ist die Spule L1 beim Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 6 auf einem Carbonylkern aufgebracht. Die Spule L1 bildet mit dem Kondensator C einen Oszilla­ tor-Schwingkreis aus. Das Ausgangssignal des Oszilla­ tor-Schwingkreises wird einem Schaltverstärker V zuge­ führt.

Zwischen der Spule L1 und der "aktiven" Gehäusewandung 2 sitzt eine Ergänzungsspule 114. Die Ergänzungsspule 114 besitzt einen geringeren Durchmesser als die Spule L1. Die Ergänzungsspule 114 ist Teil eines Kompensators K. Dieser Kompensator steuert bspw. die Spule 114 mit einer hochfrequenten Wechselspannung an und kann über die Änderung der Spulenverluste oder dergleichen der Spule 114 den Bedeckungsgrad der aktiven Gehäusewandung 2 mit Schweißstaub oder dergleichen ermitteln. Aus der Ände­ rung der elektrischen Parameter der Spule 114 stellt die Kompensatorschaltung K ein Ausgangssignal zur Verfü­ gung. Dieses Ausgangssignal wird dem Schaltverstärker V zugeführt. Der Schaltverstärker V ändert in Abhängig­ keit von der Höhe des Ausgangssignals der Kompensator­ schaltung K den Schwellwert, bei dessen Überschreitung oder Unterschreitung das Ausgangssignal A geändert wird. Zufolge dieser Beschaltung kann auch bei einem Näherungsschalter mit Carbonylkern die Bedeckung der "aktiven" Gehäusewandung mit Schweißstaub oder Schweiß­ perlen kompensiert werden.

Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Priori­ tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt­ lich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims (10)

1. Induktiver Näherungsschalter mit einer rückwärtig einer "aktiven" Gehäusewandung sitzenden Spule eines Empfängerschaltkreises, dessen Empfängersignal sich beim Annähern eines metallischen Gegenstandes ändert, wobei die Spule wirkverbunden ist mit einem Schaltver­ stärker, welcher seinen Schaltzustand ändert, wenn der Gegenstand einen vorbestimmten Abstand erreicht, gekenn­ zeichnet durch einen der "aktiven" Gehäusewandung (2) zugeordneten Ergänzungssensor zur elektronischen Kompen­ sation von durch metallische, insbesondere ferritische Ablagerungen auf der "aktiven" Gehäusewandung (2) er­ zeugten Änderungen der Empfängersignale.

2. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der Ergänzungssensor eine Ergänzungsspule (114) umfaßt, mit einem geringeren Spulendurchmesser, als die Empfänger­ spule (L1, L2, L3).

3. Induktiver Näherungsschalter nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der Ergänzungssen­ sor, insbesondere die Ergänzungsspule nächst liegend benachbart angeordnet ist zur "aktiven" Gehäusewandung (2).

4. Induktiver Näherungsschalter nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspule (L3) eine Luftspule ist.

5. Induktiver Näherungsschalter nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltsignal aus einer Spannungsdifferenz (UD) zu einer zweiten Luftspule (L2) ermittelt wird, wobei die Ergänzungsspu­ le (114) in gegensinniger Windungsrichtung zur ersten Empfängerspule (L3) in Reihe geschaltet ist.

6. Induktiver Näherungsschalter nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl, der Durchmesser und die räumliche Lage der Ergänzungs­ spule (114) so gewählt ist, daß unabhängig vom Bedec­ kungsgrad der "aktiven" Wandungsfläche (2) mit Metall­ staub oder dergleichen die Differenzspannung (UD2) bei gleichbleibendem Schaltabstand zu Null wird.

7. Induktiver Näherungsschalter nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergänzungsspule (114) von auf einer Platine (4) angeordneten Leiterbahn ausgebildet ist.

8. Induktiver Näherungsschalter nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Ergän­ zungsspule (114), als auch die Empfängerspule (L3) auf der Platine angeordnet sind.

9. Induktiver Näherungsschalter nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspule (L1) eine insbesondere auf einem Carbonylkern sitzende Oszillatorspule eines Oszillators ist und die Ergän­ zungsspule (114) Teil eines Kompensators (K) ist.

10. Induktiver Näherungsschalter nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Kompensators (K) die Schwellwertlage eines Schalt­ verstärkers (V) beeinflußt.