DE202006004158U1 - Inductive proximity switch uses two mutually surrounding receiving coils to overlap other coil surfaces - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches Gebiet:Technical area:
Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter basierend auf dem transformatorischen Kopplungsfaktor-Prinzip, mit wenigstens einer Sendespule, einem Oszillatorschaltkreis und wenigstens zwei im magnetischen Wechselfeld der Sendespule angeordneten Empfangsspulen, wobei Sendespule und Empfangsspule benachbart zueinander auf einer Platine angeordnet sind, sowie einer an die Empfangsspulen angeschlossenen Auswerteschaltung, die bei Annäherung eines Targets an den Näherungsschalter aus der Auswertung der Empfangssignale der Empfangsspulen ein Schaltsignal erzeugt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an inductive proximity switch based on the transformer coupling factor principle, with at least a transmitting coil, an oscillator circuit and at least two arranged in the alternating magnetic field of the transmitting coil receiving coils, wherein the transmitting coil and the receiving coil adjacent to each other on a Board are arranged, as well as one connected to the receiving coils Evaluation circuit when approaching a target to the proximity switch from the evaluation of the received signals of the receiving coils, a switching signal generated, according to the preamble of claim 1.
Stand der Technik:State of the art:
Induktive Näherungsschalter sind Sensoren, welche berührungsfrei auf Annäherung eines metallischen oder nichtmetallischen Gegenstandes, Target, d. h. ohne direkten Kontakt, reagieren. Für den Aufbau von induktiven Näherungsschaltern sind zwei Grundprinzipien bekannt.inductive proximity switch are sensors, which are non-contact on approach a metallic or non-metallic article, target, d. H. without direct contact, react. For the construction of inductive Proximity switches Two basic principles are known.
Entweder ist Herzstück eines derartigen Sensors eine stromdurchflossene Spule, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der Wechselstrom wird durch einen Oszillator erzeugt. Kommt ein metallischer Gegenstand, Auslöser oder Target, in dieses Magnetfeld, entstehen durch das Target hervorgerufene Wirbelstromverluste, der Schwingkreis wird bedämpft, wodurch sich die Schwingungsamplitude ändert. Diese Änderung kann, elektrisch verstärkt, als Messgröße, z. B. für den Abstand des Targets von der Spule verwertet werden. Durch eine Hysteresewirkung unterscheidet sich die Messgröße beim Bewegen des Targets in Richtung des Näherungsschalters von der beim Bewegen in der Gegenrichtung. Diese Ausführung hat prinzipielle Nachteile, nämlich sie bedingt eine meist aufwendige Konstruktion, einen Ferrit und einen Spulenwickel sowie hohe Toleranz anforderungen bei erhöhten Schaltabständen. Ebenso ist eine mangelnde Schweißfestigkeit gegeben, weil die Sättigung des Ferrits zu Fehlern führt.Either is the centerpiece Such a sensor, a current-carrying coil, a generated magnetic alternating field. The alternating current is through a Oscillator generated. Comes a metallic object, trigger or Target, in this magnetic field, caused by the target Eddy current losses, the resonant circuit is damped, whereby the oscillation amplitude changes. This change can, electrically strengthened, as Measurand, z. B. for the Distance of the target can be recovered from the coil. By a hysteresis effect the measured variable differs in the case of Move the target towards the proximity switch from the Moving in the opposite direction. This embodiment has disadvantages in principle, namely you requires a mostly complex construction, a ferrite and a Coil winding and high tolerance requirements with increased switching distances. As well is a lack of sweat resistance given because the saturation ferrite leads to errors.
Oder es wird bei neueren induktiven Näherungsschaltern statt einer Spule ein Transformator mit Primärspule und Sekundärspule verwendet, die induktiv gekoppelt sind. Die Größe der Kopplung zwischen Primär- und Sekundärkreis wird als Kopplungsfaktor bezeichnet, der gewöhnlich zwischen 0 (keine Kopplung) und 1 (perfekte Kopplung) eingestellt werden kann, wobei der Kopplungsfaktor K die Größe der Gegeninduktivität M des Kreises bestimmt. Ein in den Schaltbereich des Näherungsschalters gebrachtes Target verändert die Kopplung. Die Kopplungsauswertung vermeidet die vorbeschriebenen Nachteile; sie hat aber im Stand der Technik ihrerseits bisher den Nachteil, dass sie wegen des geringeren Signalpegels nicht einfach zu realisieren ist.Or it is with newer inductive proximity switches instead of a coil using a transformer with primary coil and secondary coil, which are inductively coupled. The size of the coupling between primary and secondary circuit is referred to as the coupling factor, usually between 0 (no coupling) and 1 (perfect coupling) can be set, the coupling factor K is the size of the mutual inductance M of the Determined circle. An brought into the switching range of the proximity switch Target changed the coupling. The coupling evaluation avoids the previously described Disadvantage; However, it has in the prior art turn so far the Disadvantage that they are not easy because of the lower signal level to realize.
Es
wird bei induktiven Näherungsschaltern angestrebt,
dass der Schaltabstand eines Näherungsschalters,
bei welchem er auf die Annäherung eines
Targets anspricht, unkritisch gegenüber äußeren elektrischen Störungen und
insbesondere auch unempfindlich gegenüber seinem Einbau in ein Maschinenteil
und seinen Einbaubedingungen ist. Ebenso soll der Schaltabstand
bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen konstant bleiben. Zur
Beurteilung des Schaltabstandes eines Näherungsschalters dient der
Reduktionsfaktor, der, bezogen auf Eisen, zu 1 gesetzt ist. Andere
Metalle haben einen kleineren Reduktionsfaktor, was bedeutet, dass
hier der Schaltabstand, bei dem der Näherungsschalter schaltet, kürzer ist
als bei Eisen. Bei heutigen Näherungsschaltern
wird ein gleich bleibender Reduktionsfaktor von
Durch
die
Des
Weiteren ist durch die
Durch
die
Technische Aufgabe:Technical task:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen, vorzugsweise ferritlosen, induktiven Näherungsschalter, basierend auf dem transformatorischen Kopplungsfaktor-Prinzip, der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der ein weitestgehend materialunabhängiges Ansprechverhalten bzw. einen Reduktionsfaktor 1 bzw. nahe 1 aufweist und der gegen externe Gleich- und Wechselfelder durch die Möglichkeit eines Verzichts auf ferritische Materialien weitgehend resistent realisierbar ist.Of the The invention is based on the object, one, preferably ferrite, inductive proximity switch, based on the transformer coupling factor principle, the to create the aforementioned type, the most material-independent response or a reduction factor 1 or close to 1 and the against external DC and AC fields through the possibility of waiving Ferritic materials is largely resistant realized.
Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:Disclosure of the invention and their advantages:
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass die wenigstens zwei Empfangsspulen, wie auch die Sendespule, jeweils aus wenigstens einer ringförmig oder elliptisch oder polygonförmig oder spiralförmig geformten Windung bestehen und je eine kreisförmige oder ringförmige oder polygonförmige oder elliptische Spulenfläche umgrenzen, wobei entweder die Sendespule von der ersten Empfangsspule peripher umgeben ist und diese ihrerseits von der zweiten Empfangsspule peripher umgeben ist, 1. Alternative, oder die erste Empfangsspule von der zweiten Empfangsspule umgeben ist, und diese von der Sendespule peripher umgeben ist, 2. Alternative, so dass in beiden Alternativen bei senkrechter Parallelprojektion auf die Spulen sowohl die von der jeweils äußersten Spule aufgespannte Spulenfläche die Spulenflächen aller anderen Spulen vollständig überdeckt und die von der innersten Spule aufgespannte Spulenfläche von den Spulenflächen aller anderen Spulen vollständig überdeckt ist, als auch in senkrechter Parallelprojektion auf die Spulen die Sendespule von der ihr benachbarten Empfangsspule beabstandet ist, ohne dass sich die Projektionen der Spulen überlappen.The solution of the problem is that the at least two receiving coils, as well as the transmitting coil, each consist of at least one annular or elliptical or polygonal or spiral-shaped turn and each define a circular or annular or polygonal or elliptical coil surface, either the transmitting coil of the first receiving coil is peripherally surrounded and this in turn is peripherally surrounded by the second receiving coil, the first alternative, or the first receiving coil is surrounded by the second receiving coil, and this of the Sen second alternative, so that in both alternatives with perpendicular parallel projection on the coils both spanned by the outermost coil coil surface completely covers the coil surfaces of all other coils and spanned by the innermost coil coil surface of the coil surfaces of all other coils is completely covered, as well as in perpendicular parallel projection on the coils, the transmitting coil is spaced from its adjacent receiving coil without the projections of the coils overlap.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit mehr als zwei Empfangsspulen kann die zweite Empfangsspule von einer dritten und gegebenenfalls von einer oder weiteren peripheren Empfangsspulen umgeben sein, wobei in der zweiten Alternative des Anspruchs 1 die äußere Empfangsspule von der Sendespule peripher umgeben ist.In a further embodiment of the invention with more than two receiving coils can the second receiving coil of a third and possibly be surrounded by one or more peripheral receiving coils, wherein in the second alternative of claim 1, the outer receiving coil surrounded peripherally by the transmitting coil.
Damit ist entweder die Sendespule von einer ersten Empfangsspule umgeben, und diese ist ihrerseits von der zweiten Empfangsspule und gegebenenfalls diese von einer dritten bzw. n-ten peripheren Empfangsspule umgeben, oder eine erste Empfangsspule ist von einer zweiten Empfangsspule und gegebenenfalls diese von einer dritten bzw. n-ten Empfangsspule umgeben, wobei die n-te Empfangsspule von der Sendespule peripher umgeben ist, so dass in beiden Alternativen von Anspruch 1 sowohl die von der jeweils äußeren Spule aufgespannte Spulenfläche alle Spulenflächen der weiteren innen liegenden Spulen vollständig überdeckt als auch in senkrechter Parallelprojektion auf die Spulen die Sendespule bzw. jede andere Spule von der ihr am nächsten benachbarten Empfangsspule beabstandet ist, ohne dass sich die senkrechten Projektionen von Sende- und/oder Empfangsspulen überlappen bzw. kreuzen. Unter "Spulenfläche" wird die von der jeweiligen Spule in senkrechter Projektion aufgespannte Fläche verstanden.In order to either the transmitter coil is surrounded by a first receiver coil, and this is in turn from the second receiver coil and, where appropriate surrounded by a third or n-th peripheral receiving coil, or a first receiving coil is from a second receiving coil and, if appropriate, these from a third or nth receiving coil surrounded, wherein the n-th receiving coil of the transmitting coil peripheral is surrounded, so that in both alternatives of claim 1, both the from the outer coil spanned coil surface all coil surfaces the other internal coils completely covered as well as in vertical Parallel projection on the coil, the transmitter coil or any other Spool from her closest adjacent receiving coil is spaced without the vertical Projections of broadcast and / or Reception coils overlap or tick. Under "coil surface" is the of the understood spool in perpendicular projection spanned area.
Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter weist gegenüber dem Stand der Technik erhebliche Vorteile auf. Der Näherungsschalter besitzt ein weitestgehend materialunabhängiges Ansprechverhalten bzw. einen Reduktionsfaktor 1 bzw. nahe 1, welcher gegen externe Gleich- und Wechselfelder durch einen weitgehenden Verzicht auf ferritische Materialien resistent bzw. nahezu resistent ist, und somit bei einer Anwendung ohne Ferrit eine hohe Schweissfestigkeit aufweist. Des Weiteren realisiert der erfindungsgemäße Näherungsschalter hohe Schaltabstände, wie auch durch seinen Einsatz komplexe, mechanisch aufwendige und kostenintensive Mehrspulen-Systeme mit konventioneller Wickel-Technologie mit den Problemen der mangelhaften Stabilität und Reproduzierbarkeit durch den Einsatz von kostengünstigen Leiterplatten-Spulensystems vermieden werden. Insbesondere kann zur Herstellung des Näherungsschalters auf Multilayer-Leiterplatten verzichtet werden, obwohl diese natürlich bei besonderen Problemlösungen eingesetzt werden können. Darüber hinaus ermöglicht der erfindungsgemäße Näherungsschalter die Gewinnung eines hohen Signalpegels und ist einfach zu realisieren.Of the inductive according to the invention proximity switch points opposite the prior art considerable advantages. The proximity switch has a largely material-independent Response or a reduction factor 1 or near 1, which against external DC and AC fields by a large extent Abandon ferritic materials resistant or almost resistant is, and thus in a non-ferrite application, a high welding strength having. Furthermore realized the proximity switch according to the invention high switching distances, as well as by its use complex, mechanically complex and cost-intensive multi-reel systems with conventional rewinding technology with the problems of poor stability and reproducibility the use of cost-effective PCB coil system be avoided. In particular, for the production of the proximity switch to dispense with multilayer boards, although of course this special problem solutions can be used. About that also allows the proximity switch according to the invention the acquisition of a high signal level and is easy to implement.
Des Weiteren können mit dem erfindungsgemäßen Näherungsschalter Printspulen-Anordnungen mit hoher Temperaturstabilität und Reproduzierbarkeit realisiert werden. Der Grund ist, dass beim erfindungsgemäßen Näherungsschalter eine planate Anordnung aller Leiterstrukturen vorhanden ist und keine oder nur geringfügige Überlappungen bei senkrechter Projektion der Spulen aufeinander vorhanden sind. Sende- und Empfangsspulen überlappen sich vorzugsweise nicht, ebenso wie sich die Empfangsspulen vorzugsweise nicht überlappen. Die erfindungsgemäße Anordnung von Sende- und Empfangsspulen zueinander ohne oder nur mit geringfügiger Überlappung bewirkt, dass die magnetischen Flüsse, welche von der Sendespule in den Empfangsspulen erzeugt werden, nicht zu Null oder nahe zu Null werden, sondern immer deutlich von Null verschieden sind und damit auswertbare Induktionsspannungen liefern. Der Fluss, integral über die Empfangs-Spulenflächen, ist immer deutlich von Null verschieden. Dadurch ist auch ein kleinerer CTE der Leiterplatte in der Ebene wie auch eine Unabhängigkeit von Layer-Abständen gegeben.Of Further can with the proximity switch according to the invention Print coil arrangements with high temperature stability and reproducibility will be realized. The reason is that the proximity switch according to the invention a planate arrangement of all ladder structures exists and none or only minor overlaps are present in perpendicular projection of the coils to each other. Overlap transmit and receive coils preferably not, as well as the receiver coils preferably do not overlap. The inventive arrangement of transmitting and receiving coils to each other without or only slightly overlapping causes the magnetic flux coming from the transmitter coil are generated in the receiving coils, not to zero or close to Become zero, but are always clearly different from zero and thus deliver evaluable induction voltages. The river, integral over the Receiving coil surfaces, is always clearly different from zero. This is also a smaller one CTE the PCB in the plane as well as an independence of Layer intervals given.
Des Weiteren sind die Spulengeometrien der Spulen nicht auf eine Kreis- bzw. Ringform beschränkt, sondern es können weitestgehend alle Formen, wie eine polygon- oder ringförmig oder elliptisch geführte bzw. geformte Windungs- und Spulenflächenformen, zum Einsatz gelangen.Of Furthermore, the coil geometries of the coils are not limited to a circular or ring shape restricted, but it can most of all forms, such as a polygonal or annular or elliptically guided or shaped winding and coil surface shapes are used.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Näherungsschalters ist die äußerste Spule, Empfangsspule oder Sendespule, von einer peripher angeordneten geschlossenen Leiterbahn umgeben, wobei sich zusätzlich zwischen benachbarten Empfangsspulen eine geschlossene Leiterbahn befinden kann. Statt dessen oder zusätzlich kann sich zwischen benachbarten Empfangsspulen wenigstens eine geschlossene Leiterbahn befinden. Dadurch eröffnet der erfindungsgemäße Näherungsschalter insbesondere die Möglichkeit der Unterscheidung von Einbau- und Targeteinfluss, womit eine entscheidende Verbesserung der bündigen Einbaubarkeit des Näherungsschalters verbunden ist; dieser ist gegenüber seinem Einbau in ein Maschinenteil und seinen Einbaubedingungen weitestgehend unempfindlich.In further inventive embodiment of the proximity switch is the outermost coil, receiving coil or transmitting coil, from a peripherally arranged closed trace surrounded, in addition to between adjacent receiving coils a closed conductor can be located. Instead, or in addition, can be between adjacent Reception coils are at least one closed conductor track. This opens up the proximity switch according to the invention especially the possibility the distinction of installation and target influence, making a crucial Improvement of the flush Installation of the proximity switch connected is; this is opposite its installation in a machine part and its installation conditions largely insensitive.
Die erfindungsgemäße Verwendung von wenigstens zwei oder mehreren voneinander unabhängigen Empfangsspulen eröffnet die Möglichkeit, deren Signale getrennt zu bewerten bzw. zu verknüpfen, so dass zum Beispiel Linearkombination oder Verhältnisbildungen der beiden Signale oder von mehreren Signalen möglich sind. Das ist deshalb möglich, weil die magnetischen Flüsse in den Empfangsspulen nicht zu Null oder nahe zu Null werden, sondern immer deutlich von Null verschieden sind und damit auswertbare Induktionsspannungen liefern.The inventive use of at least two or more independent receiving coils opens up the possibility of separately evaluating or linking their signals fen, so that, for example, linear combination or ratios of the two signals or multiple signals are possible. This is possible because the magnetic fluxes in the receiver coils do not become zero or close to zero, but are always distinctly different from zero, thus providing evaluable induction voltages.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters sind die Windungen von Sendespule und Empfangsspulen im Prinzip spiralförmig planar in einer Ebene liegend angeordnet. Auf diese Weise können in einfacher Weise gedruckte Spulen hergestellt werden.In a further embodiment of the proximity switch according to the invention are the turns of transmitting coil and receiving coils in principle spiral planar arranged lying in one plane. In this way, in easy way printed coils are produced.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters ist die Sendespule kreisförmig, das heißt über eine Kreisfläche verteilt; die Empfangsspulen sind ringförmig ausgebildet, wobei dieselben die Sendespule peripher umgeben. Oder die innere erste Empfangsspule ist kreisförmig, das heißt über eine Kreisfläche verteilt oder ringförmig, und die übrigen, die erste Empfangsspule umgebende Empfangsspulen einschließlich der äußeren Sendespule sind jeweils ringförmige Spulen, wobei in beiden Alternativen in senkrechter Parallelprojektion auf die Spulen diese voneinander beabstandet sind oder sich auch berühren können.In Another embodiment of the proximity switch according to the invention is the transmitting coil circular, that is about one circular area distributed; the receiving coils are annular, wherein the same surround the transmitting coil peripherally. Or the inner first receiver coil is circular, that is about one circular area distributed or ring-shaped, and the remaining, the receiving coil surrounding the first receiving coil including the outer transmitting coil are each annular Coils, where in both alternatives in vertical parallel projection on the coils they are spaced apart or even touch can.
Wenn die Spulenfläche sowie die Windungen der Spulen beispielsweise polygonförmig oder elliptisch gestaltet sind, dann weisen die dergestalt gebildeten Spulen im Prinzip die Form von hohlen Polyedern oder hohlen Ellipsoiden auf bzw. die Windungen der Spulen umspannen Polyeder oder Ellipsoide der Höhe der Dicke der Windung.If the coil surface as well as the turns of the coils, for example, polygonal or elliptical are designed, then have the coils formed in the Principle the form of hollow polyhedra or hollow ellipsoids or the turns of the coils span polyhedra or ellipsoids the height the thickness of the winding.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters befindet sich unter einer Spulenanordnung in senkrechter Parallelprojektion auf dieselbe in einer weiteren Ebene wenigstens eine weitere identische Spulenanordnung, wobei hierdurch die Spulen der Spulenanordnung in leitungsmäßig miteinander verbundene Teilspulen auf verschiedene Ebenen aufgeteilt sind, welche jeweiligen Teilspulen deckungsgleich übereinander angeordnet und gleichsinnig hintereinander geschaltet, nämlich in Reihe, sowie gleichsinnig vom Strom durchflossen sind. Oder nur die Sendespule ist in Teilspulen, die vorzugsweise in Reihe geschaltet sind, aufgeteilt, welche in zwei übereinander angeordnete Ebenen vorzugsweise deckungsgleich übereinander angeordnet und gleichsinnig vom Strom durchflossen sind.In Another embodiment of the proximity switch according to the invention is located under a coil arrangement in a vertical parallel projection the same in a further level at least one more identical Coil arrangement, whereby thereby the coils of the coil arrangement in line with each other connected sub-coils are divided into different levels, which respective sub-coils congruently arranged one above the other and in the same direction in series, namely in series, as well as in the same direction are traversed by the stream. Or only the transmitting coil is in partial coils, which are preferably connected in series, divided into which two on top of each other arranged planes preferably arranged congruently one above the other and in the same direction are traversed by the stream.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters sind die in den Empfangsspulen aufgrund der magnetischen Flussänderungen entstehenden Spannungssignale in der Auswerteschaltung nach dem Differenzprinzip auswertbar.In Another embodiment of the proximity switch according to the invention are in the receiving coils due to the magnetic flux changes resulting voltage signals in the evaluation circuit after the Differential principle evaluable.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters weist derselbe einen zylindrischen Aufbau mit einer metallischen Hülse sowie konzentrische Leiterstrukturen seiner Spulen auf. In erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Näherungsschalters können die Leiterstrukturen, insbesondere diejenigen der Empfangsspulen, offene Ringe sein. Des Weiteren kann zumindest eine der Spulen, nämlich Sendespule und/oder Empfangsspulen, durch eine spiralförmige Leiterbahn auf oder in einer Platine gebildet sein.In further embodiment of the proximity switch according to the invention has the same a cylindrical structure with a metallic sleeve as well concentric conductor structures of its coils. In inventive design of the proximity switch can the conductor structures, in particular those of the receiving coils, be open rings. Furthermore, at least one of the coils, namely Transmitting coil and / or receiving coils, by a spiral conductor track be formed on or in a circuit board.
Normalerweise ist der erfindungsgemäße Näherungsschalter ohne Ferrit aufgebaut, wodurch er eine hohe Schweißfestigkeit besitzt. In besonderen Anwendungsfällen kann jedoch ein erfindungsgemäßer Näherungsschalter mit einem Ferrit zum Einsatz gelangen, wobei der Ferrit beispielsweise als Scheibe, vorzugsweise mit geringer Dicke, unterhalb der Sendespule, insbesondere in einer Aussparung der Platine, auf oder in der Platine angeordnet ist. Damit kann eine geeignete und angepasste Feldmodellierung erzielt werden.Usually is the proximity switch according to the invention built without ferrite, giving it a high welding strength has. In special applications, however, an inventive proximity switch can be used with a ferrite, wherein the ferrite, for example as a disk, preferably of small thickness, below the transmitting coil, in particular in a recess of the board, on or in the board is arranged. This can be a suitable and adapted field modeling be achieved.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters können sich die Projektionen von Sende- und/oder Empfangsspulen auch geringfügig überlappen bzw. kreuzen, was u.U. herstellungstechnisch günstig sein kann. Ebenso können auch im Peripheriebereich der Spulen in Projektion geringfügige Überlappungen der Projektion der Spulen akzeptiert werden, ohne dass dadurch die Vorteile des erfindungsgemäßen Näherungsschalters geschmälert werden.In Further embodiment of the proximity switch according to the invention may the projections of transmitting and / or receiving coils also overlap slightly or tick what u.U. can be favorable manufacturing technology. Likewise, too in the peripheral region of the coils in projection slight overlaps the projection of the coils are accepted without thereby benefiting the proximity switch according to the invention diminished become.
Durch eine geeignete Wahl der Radien der Spulen lässt sich der Einfluss der Einbaubedämpfung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters weitestgehend reduzieren, so dass bei geeigneter Verknüpfung der Empfangsspannungen der Empfangsspulen in einer Auswerteschaltung das resultierende Ausgangssignal nahezu nur noch vom Target beeinflusst wird. Damit ist die Möglichkeit der Unterscheidung von Einbau- und Targeteinfluss gegeben, was zu einer entscheidenden Verbesserung der bündigen Einbaubarkeit des Näherungsschalters führt. In weiterer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Näherungsschalters berühren sich, in Abweichung von Anspruch 1, die Sende- und/oder Empfangsspulen oder überlappen sich in Projektion geringfügig, so dass sich die Spulen bei isolierten Windungen berühren sowie in ihrer Projektion kreuzen können. Bei dieser platzsparenden Bauweise bleiben die erfindungsgemäßen Vorteile des Näherungsschalters erhalten.By a suitable choice of the radii of the coils can be the influence of the installation attenuation of the As far as possible according to the invention proximity switch reduce, so that with a suitable combination of the receiving voltages the receiving coils in an evaluation circuit, the resulting Output signal is almost only affected by the target. In order to is the possibility the distinction of installation and target influence given what to a decisive improvement in the flush installation of the proximity switch leads. In another embodiment of the invention of the proximity switch touch in deviation from claim 1, the transmitting and / or receiving coils or overlap slightly in projection, so that the coils touch in isolated turns as well can cross in their projection. In this space-saving design, the advantages of the invention remain of the proximity switch receive.
In weiterer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Näherungsschalters ist die Sendespule, in Abweichung von Anspruch 1, zwischen zwei Empfangsspulen angeordnet, wobei wenigstens zwei Empfangsspulen vorhanden sind.In a further embodiment of the proximity switch according to the invention, the transmitting coil, in Deviation from claim 1, arranged between two receiving coils, wherein at least two receiving coils are present.
Kurzbezeichnung der Zeichnung, in der zeigen:Short name of the drawing, in the show:
Wege zur Ausführung der Erfindung:Ways to execute the Invention:
Die
Die
Forderung, dass sich die Projektionen der Spulen nicht überlappen,
heißt
mit anderen Worten, dass sich die Spulen in senkrechter Projektion nicht
berühren
oder kreuzen, wie es zum Beispiel aus der
Wie
in
Die
Form und Anordnung der Spulen muss nicht konzentrisch, sondern kann
weitgehend beliebig gestaltet sein; die Form kann zum Beispiel auch elliptisch
oder polygonal sein. Hierzu ist der
Die
Zentraler
Bestandteil sind wenigstens drei, auf eine Leiterplatte P aufgebrachte
Leiterstrukturen, die als Sende- bzw. Empfangsspulen betrieben werden.
Die Spulen in den
Die Empfangsspulen E1 und E2 bestehen jeweils aus mindestens einer Windung, optional auch aus mehreren, in radialer Richtung dicht benachbarter Windungen, mit dem mittleren Radius rE1 bzw. rE2. Bedingt durch die planare Anordnung der Spulen erfolgt, vorzugsweise, keine räumliche Überlappung der Projektionen der Spulen. Eine Kontaktierung der Spulenenden kann beispielsweise mittels Durchkontaktierungen und entsprechender Lötflächen auf der gegenüber liegenden Hauptoberfläche der Platine erfolgen.The receiving coils E1 and E2 each consist of at least one turn, optionally also of a plurality of closely adjacent turns in the radial direction, with the mean radius r E1 or r E2 . Due to the planar arrangement of the coils is carried out, preferably, no spatial overlap of the projections of the coils. A contacting of the coil ends can be done for example by means of plated-through holes and corresponding pads on the opposite main surface of the board.
Weiterhin ist optional mindestens eine konzentrisch angeordnete, durchgehende und ringförmig geschlossene Leiterbahn LB vorgesehen, welche entweder peripher sämtliche Spulen umgibt oder innerhalb der innersten Spule angeordnet ist oder sich zwischen zwei benachbarten Spulen befindet, wie es in einigen der Figuren gezeigt ist.Farther is optionally at least one concentrically arranged, continuous and annularly closed Conductor LB provided which either peripherally all Coils surrounds or is disposed within the innermost coil or is located between two adjacent coils, as in some of the figures is shown.
In
Es sei erwähnt, dass Sendespule und Empfangsspulen vorzugsweise dicht zueinander verlaufen können, ohne sich zu berühren. Die Spulen können sich aber auch bei isolierten Windungen berühren oder auch in senkrechter Projektion gesehen geringfügig überlappen.It be mentioned that transmitting coil and receiving coils are preferably close to each other can run, without touching. The coils can But also in isolated turns touch or in vertical Projection slightly overlapping.
Zur
Erklärung
der physikalischen Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Spulenanordnungen wird
wiederum auf die
Wird die Sendespule S mit einem Wechselstrom i beaufschlagt und innerhalb des resultierenden Wechselfeldes H, Primärfeld, ein hinreichend leitfähiges Objekt, Target T oder Einbaumaterial, platziert, kommt es zur Ausbildung eines Wirbelstroms innerhalb des Targets und dadurch zu einer Feldänderung, welche bei Erreichen einer vorgegebenen Schwelle schließlich zum Schalten des induktiven Näherungsschalters führt. Dabei kommt es zu folgenden Effekten:
- • Verringerung der Gegeninduktivitäten MSE1 bzw. MSE2 zwischen S und E1 bzw. E2
- • Verringerung der Sendespuleninduktivität LS
- • Das Auftreten eines Verlustanteils im Feld (Feldkomponente, die zum Erregerstrom i um 90° phasenverschoben ist) aufgrund der dissipativen Verluste im Objekt. Diese Feldkomponente induziert zum Erregerstrom phasengleiche Spannungen in Sende- und Empfangsspulen und ist damit für das Auftreten der transformatorischen Verluste verantwortlich.
- Reduction of the mutual inductances M SE1 or M SE2 between S and E1 or E2
- • Reduction of the transmitting coil inductance L S
- • The occurrence of a loss component in the field (field component that is phase-shifted by 90 ° with respect to the excitation current i) due to the dissipative losses in the object. This field component induced to the excitation current in phase voltages in transmitting and receiving coils and is thus responsible for the occurrence of transformer losses.
Als wesentlicher Effekt sei hier die Änderung ΔMSE1 bzw. ΔMSE2 der Gegeninduktivitäten betrachtet. Dieser zeigt zwei wichtige Eigenschaften:
- • Bei gegebenen
Bedämpfungsverhältnissen,
wie Targetposition und Einbaugeometrie, strebt ΔM, sowie auch ΔMSE1 bzw. ΔMSE2, mit steigender Frequenz des Wechselfeldes
gegen einen Grenzwert, der unabhängig
vom Target- bzw. Einbaumaterial ist (eine Mindestleitfähigkeit
vorausgesetzt). Ausgehend von typischen metallischen Bedämpfungsmaterialien
erhält
man somit eine Materialunabhängigkeit
des Ansprechverhaltens, nämlich
Reduktionsfakor
1 . Anzustrebende Betriebsfrequenzen liegen dabei je nach Bauform zwischen einigen 100kHz und mehreren MHz. - • Die Auswertung der Gegeninduktivitäten zwischen Sendespule und zwei unabhängigen Empfangsspulen ermöglicht die Unterscheidung von Target- und Einbaueinfluss und damit eine Eliminierung des Einbaueinflusses (Einbausprung).
- • For given damping conditions, such as target position and built-in geometry, ΔM, as well as ΔM SE1 or ΔM SE2 , strives with increasing frequency of the alternating field against a limit that is independent of the target material or built-in material (assuming a minimum conductivity). Starting from typical metallic damping materials, one thus obtains a material independence of the response, namely reduction factor
1 , Aspired operating frequencies are depending on the design between some 100kHz and several MHz. - • The evaluation of the mutual inductances between the transmitter coil and two independent receiver coils enables the distinction between target and installation influence and thus an elimination of the installation influence (installation jump).
Durch
geeignete Wahl der Radien rE1 und rE2 der Empfangsspulen E1 und E2 kann erreicht
werden, dass sich bei Einbaubedämpfung
die Empfangsspannungen uE1 und uE 2 um den gleichen
Betrag Δu ändern, so
dass gilt:
Betrachtet
man die Differenzspannung udiff = uE1 – uE2, so resultiert aus der Einbaubedämpfung keine Änderung
von udiff. Bei Bedämpfung mit dem Target ändern sich
die Empfangsspannungen dagegen um unterschiedliche Beträge ΔuE1 bzw. ΔuE2:
Daraus
resultiert eine Änderung
der Differenzspannung gemäß:
Das heißt, dass nur eine targetspezifische Bedämpfung eine Änderung der Differenzspannung bewirkt.The is called, that only a target-specific damping a change the difference voltage causes.
Die Differenzspannung kann auf einfachste Weise durch antiserielle Zusammenschaltung der Empfangsspulen gebildet werden. Es ist jedoch auch denkbar beide Empfangsspannungen getrennt voneinander zu erfassen und zu bewerten oder in einem linearen oder nichtlinearen Netzwerk miteinander zu verknüpfen und das resultierende Ausgangssignal zu bewerten.The Differential voltage can be easily achieved by antiserial interconnection the receiving coils are formed. However, it is also possible both Receiving voltages separately to detect and evaluate or to link together in a linear or non-linear network and to evaluate the resulting output signal.
Durch geeignete Wahl der Radien rE1 und rE2 der Empfangsspulen wird somit erreicht, dass sich bei Einbaubedämpfung die Empfangsspannungen uE1 und uE2 in den Empfangsspulen E1 und E2 um den gleichen Betrag Δu ändern und somit in ein „Common-Mode"-Signal überführt werden. Durch eine geeignete Signalauswertung nach dem Stand der Technik lässt sich dieser Effekt somit eliminieren.By suitable choice of the radii r E1 and r E2 of the receiving coils is thus achieved that at installation attenuation, the receiving voltages u E1 and u E2 in the receiving coils E1 and E2 change by the same amount Δu and thus in a "common mode" signal By means of a suitable signal evaluation according to the prior art, this effect can thus be eliminated.
Bei Bedämpfung mit dem Target ändern sich die Empfangsspannungen uE1 und uE1 dagegen um unterschiedliche Beträge ΔuE1 bzw. ΔuE2, wobei weiterhin sowohl die einzelnen Spannungen als auch eine beliebige Differenz deutlich von Null verschieden sind. Somit lässt sich durch geeignete Wahl der Radien der Empfangsspulen der Einfluss der Einbaubedämpfung weitestgehend reduzieren, so dass bei einer geeigneten Verknüpfung der Empfangsspannungen in einem Netzwerk das resultierende Ausgangssignal praktisch nur noch von der Beeinflussung durch das Target abhängt.When attenuated with the target, the receive voltages u E1 and u E1, on the other hand, change by different amounts Δu E1 and Δu E2 , respectively, and furthermore, both the individual voltages and any difference are clearly different from zero. Thus, by suitable choice of the radii of the receiving coils of the influence of the installation attenuation can be largely reduced, so that with a suitable combination of the received voltages in a network, the resulting output practically depends only on the influence of the target.
Es ist möglich, die Empfangsspannungen getrennt voneinander zu erfassen und zu bewerten oder in einem linearen oder nichtlinearen Netzwerk miteinander zu verknüpfen und das resultierende Ausgangssignal zu bewerten.It is possible, to detect and evaluate the received voltages separately or in a linear or nonlinear network to link together and to evaluate the resulting output signal.
Mögliche Schaltbilder
derartiger Auswerteschaltungen sind in den
Die
Ein Näherungsschalter ist zum Beispiel durch die folgenden Maße gekennzeichnet: Bei der Verwendung von zwei Empfangsspulen E1, E2 und einer Sendespule S verhält sich der Außenradius rS der Sendespule S zu den Radien rE1, rE2 der Empfangsspulen E1, E2 wie 3,75mm–rs : 4,7mm–rE1 : 6,7mm–rE2 ± 25% Toleranz.A proximity switch is characterized for example by the following dimensions: When using two receiving coils E1, E2 and a transmitting coil S, the outer radius r S of the transmitting coil S to the radii r E1 , r E2 of the receiving coils E1, E2 behaves as 3.75 mm -Rs: 4.7mm-r E1 : 6.7mm-r E2 ± 25% tolerance.
Bei Vorhandensein einer peripheren Leiterbahn LB und einem Skalierungsfaktor 1 beträgt der Radius (rLB) der Leiterbahn (LB), bei den Radien (rE1, rE2) der Empfangsspulen (E1, E2) 3,75mm(rS) : 4,7mm(rE1) : 6,7mm(rE2) ± 25% Toleranz, 7,1 mm.In the presence of a peripheral conductor LB and a scaling factor 1, the radius (r LB ) of the conductor track (LB) is 3.75 mm (r S ): 4 for the radii (r E1 , r E2 ) of the receiver coils (E1, E2). 7mm (r E1 ): 6.7mm (r E2 ) ± 25% tolerance, 7.1mm.
Gewerbliche Anwendbarkeit:Industrial Applicability:
Der Gegenstand der Erfindung ist insbesondere für den Aufbau von ferritlosen Näherungsschaltern geeignet, welche insbesondere ferritlos sind, aber für besondere Anwendungen auch einen Ferrit aufweisen können.Of the The invention is particularly for the construction of ferrite Proximity switches suitable, which are in particular ferrite, but for special Applications may also have a ferrite.
Claims (17)
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-
2006
- 2006-02-08 DE DE202006004158U patent/DE202006004158U1/en not_active Expired - Lifetime
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
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R071 | Expiry of right |