DE3244449A1

DE3244449A1 - Annaeherungsschalter

Info

Publication number: DE3244449A1
Application number: DE19823244449
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Nagaokakyo Kyoto Miyamoto; Kenji Otsu Shiga Ueda
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1981-12-03
Filing date: 1982-12-01
Publication date: 1983-06-16
Also published as: US4513257A; DE3244449C2

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Annäherungsschalter des Hochfrequenztyps und richtet, sich im besonderen auf einen verbesserten Annäherungsschalter, der auch in einem starken Magnetfeld eine exakte Feststellung eines Gegenstandes gestattet.
Es ist ein.Hochfrequenz-Annäherungsschalter bekannt, welcher eine mit einer Nachweisspule gebildete Hochfrequenz-Schwingungsschaltung aufweist, wobei sich die Leitfähigkeit der Nachweisspule mit Annäherung eines durch den Annäherungsschalter festzustellenden Gegenstands entsprechend erhöht, so daß sich das Schwingungsausgangssignal der Schwingungsschaltung ändert und die Änderung durch eine zur Schwingungsschaltung gehörige Schaltung, die ein das Vorhandensein des Gegenstands darstellendes Nachweissignal erzeugt, festgestellt werden kann. Die Nachweisspule dieses bekannten Annäherungsschalters ist jedoch mit einem Ferritkern gekoppelt, so daß der Annäherungsschalter bei Vorhandensein eines äußeren magnetischen Wechsel- oder Gleichfelds den Nachweisvorgang nicht in vollkommener Weise durchführen kann. Dies liegt daran, daß die magnetischen Kraftlinien in einem magnetischen Wechsel- oder Gleichfeld in den Ferritkern gebündelt werden, so daß sich die Permeabilität des Kerns vermindert und der Kern in die Sättigung gelangt, wodurch die Induktivität der Nachweisspule vermindert wird und sich die durch die Spule bewirkten Verluste in dem Maße erhöhen, als ob sich ein Metallgegenstand der Spule nähert. Ferner wird in einem magnetischen Wechselfeld eine Spannung verhältnismäßig großer Amplitude in der Nachweisspule induziert, so daß die induzierte Spannung den Annäherungsschalter mit aufhörender Schwingung in einen Zustand, als ob die Schwingungsschaltung schwingt bringt. Ein in einem Magnetfeld instal-

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lierter solcher Schalter arbeiteL. also nur unvollkommen.

Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines Annäherungsschalters, der einen durch den Schalter nachzuweisenden Gegenstand auch dann exakt nachweisen kann, wenn der Schalter in einem magnetischen Wechsel- oder Gleichfeld installiert ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Hochfrequenz-Annäherungsschalters, welcher eine mit einer Nachweisspule verbundene Hilfsspule enthält und leicht zu montieren ist.

Hierzu schlägt die Erfindung einen Annäherungsschalter gemäß Anspruch 1 vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung einer Resonanzschaltung eines Annäherungsschalters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein schematiches Blockschaltbild des die Schaltung der Figur 1 verwendenden Annäherungsschalters,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Annäherungsschalters,

Fig. 4 eine entfaltete Ansicht einer Hilfsspule, die in einem Annäherungsschalter gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, und 30

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht des die Spule der Figur 4 verwendenden Annäherungsschalters.

Figur 1 zeigt eine Resonanzschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Resonanzschal-

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tung enthält einen Resonanzkreis, der aus einer Nachweis-' spule 11 und einem parallel mit der Spule; 11 verbundenen ersten Kondensator 13 besteht, sowie einen Resonanzkreis, der aus einer in der Nähe der Spule 11 angeordneten Hilfsspule 12 und einem mit der Spule 12 verbundenen zweiten Kondensator 14 besteht. Die Hilfsspule 12 ist in Figur 1 'zwar koaxial zur Spule 11 angeordnet, diese koaxiale Anordnung der Spulen ist jedoch nicht nötig, weil ein externes Magnetfeld nahezu parallel aui diese gegeben wird. Die Nachweisspule 11 und die Hilfsspule 12 sind miteinander in Reihe geschaltet und gegensinnig gewickelt. Die Spulen 11 und 12 sind beide kernlos und haben gleichwertige Produkte aus wirksamer Fläche und Wicklungszahl. Daher werden, wenn diese beiden Spulen 11 und 12 einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, gleichwertige Spannungen, induzierte elektromotorische Kräfte, in den beiden Spuler, induziert, wobei wegen der gegensinnigen Wicklungsrichtungen der Spulen diese einander wegheben. Die beiden Spulen 11 und 12 sind so angeordnet, daß die Hochfrequenzkopplung zwischen ihnen vermindert ist. Die Kapazität dos Kondensators 14 ist so ausgelegt, daß sie wesentlich höher aJa diejenige des Kondensators 13 ist. Beispielsweise kann die Kapazität dos Kondensators 13 3000 pF und diejenige des Kondensators 14 10 · 10⁴ pF betragen. "

wie in Figur 2 gezeigt, ist die Resonanzschaltung der Figur 1 mit einer Schwingungsschaltung 21 verbunden. Da die Kapazität des Kondensators 14 wesentlich höher als diejenige des Kondensators 13 ist, ist der Leitwert des aus der Spule 11 und dem Kondensator 13 bestehenden Resonanzkreises wesentlich kleiner als derjenige des aus der Spule 12 und dem-Kondensator 14 bestehenden Resonanzkreises, unter Normalbedingungen, wo kein externes Magnetfeld vorhanden ist, schwingt daher die Schwingungsschaltung 21 bei einer durch die Konstanten der Spule 11 und dos Kondensators 13 bestimmten Ro.ion ".ι., frequenz, wobei d io Impedanz des Kondensators 14 '®ÄD ORiGINAL

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an einer solchen Resonanzfrequenz durch die große Kapazität dieses Kondensators in einem solchen Maß vermindert ist, daß die Spule 12 die Funktion der Nachweisspule 11 wenig beeinflußt.
Die Schwingungsamplitude der Schwingungsschaltung 21 verändert sich mit Annäherung eines Metallgegenstands an die Nachweisspule 11, wobei die Änderung der Schwingungsamplitude durch die Nachweisschaltung 22 festgestellt wird, so daß über eine Ausgangsschaltung 2 3 ein Nachweissignal erzeugt wird.

Figur 3 zeigt don montierten Annäherungsschalter, welcher ein Nachweiskopfteil 30, das in einem Metallgehäuse 31 in Form eines Zylinders oder eines Quaders mit quadratischem Querschnitt aufgenommen ist, und einen Körper 40, welcher in einem Metallgehäuse 41 in Form eines Zylinders oder "eines Quaders mit quadratischem Querschnitt aufgenommen ist, aufweist. Die Metallgehäuse 31 und 41 sind miteinander verbunden. Das Metallgehäuse 31 umschließt die Nachweisspule 11, die Hilfsspule 12, eine Leiterplatte 32, auf welcher die Kondensatoren 13 und 14, die Schwingungsschaltung 21 und die Nachweisschaltung 22 angebracht sind, und einen Metallmantel bzw. -becher 33 in Form eines Zylinders oder eines Quaders mit quadratischem Querschnitt. Der Mantel 33 bildet eine umgebende elektrostatische Abschirmung für die Schaltkreiskomponenten und ist zwischen den Spulen 1.1 und 12 angeordnet, um die Hochfrequenzkopplung zwischen diesen zu vermindern. Da die Impedanz des Kondensators 14 bei der durch den Resonanzkreis aus Spule 11 und Kondensator 13 bestimmten Schwingungsfrequenz praktisch als null zu betrachten ist, entsteht, wenn derdurch die Nachweisspule 11 erzeugte magnetische Fluß die Hilfsspule 12 durchsetzt, im Kondensator 14 und der Spule 12 ein Wirbelstrom, so daß Wirbelstromverluste erzeugt werden. Um solche Wirbelstromverluste zu vermindern, muß daher die Hochfrequenzkopplung zwischen den Spulen 11 und 12 vermindert werden. Zu diesem Zweck wird der Metallmantel 33 aus Messing

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oder Aluminium gemacht, wo sehr geringe Wirbelstromverluste auftreten, und zwischen den Spulen 11 und 12 angeordnet. Ein externes Magnetfeld ist ein niederfrequentes Feld, beispielsweise mit der Industriefrequenz von 50 Hz oder 60 Hz, und induziert in beiden Spulen 11 und 12 die oben erwähnte gleiche Induktionsspannung unabhängig vom Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein des Metallmantels bzw. der Metallbüchse 33. Innerhalb des Metallgehäuses 41 des Körpers ist eine Leiterplatte 42 aufgenommen, auf welcher die Aus-IC) gangsschaltung 23 (siehe Fig. 2) angebracht ist. Von dem einen Ende des Gehäuses 41 erstreckt sich ein Kabel 43 für die elektrische Spannungsversorgung und ein Ausgangssignal des Annäherungsschalters nach außen. In Figur 3 ist dies zur Vereinfachung der Darstellung zwar nicht gezeigt, es sind jedoch die Gehäuse 31 und 41 mit ausgehärtetem Kunststoff gefüllt, der dazu dient, die eingeschlossenen Schaltkreiskomponenten in Stellung zu halten, Verschmutzungen fernzuhalten und als elektrisch isolierendes Teil zu wirken. Ggf. kann der Füllkunststoff jedoch auch weggelassen sein. Ferner kann der Wandabschnitt zwischen den Kammern der Gehäuse 31 und 41 fehlen.

Die Figuren 4 und 5 zeigen einen Annäherungsschalter gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Hilfsspule 12 der Figur 1, wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, zu einer in Leiterplattenform gedruckten Spule 112 abgewandelt. Die Nachweisspule 11, die Kondensatoren 13 und 14 sowie die Hilfsspule 112 sind verdrahtet wie diejenigen der Figur 2 und ähnlich ausgelegt. Wie in Figur 4 dargestellt, besteht die Hilfsspuie 112 dieser Ausführungsform aus einer biegsamen Grundplatte 8 und einer Anzahl von auf die Platte 8 gedruckten spiralförmigen Leitungsmustern 7A bis 7D. Die einzelnen Muster sind, wie in Figur 4 dargestellt, in Reihe geschaltet und gegensinnig gedruckt, so daß sie eine kontinuierliehe,in allen Teilen gleichsinnige Spule bilden, wenn die

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Platte 8 längs der strichpunktierten Linien X gefaltet wird. Die gedruckten Muster können mit einem Isolationsfilm beschichtet sein. Die gefaltete Spule 112 ist in Figur 5 dargestellt. Die Spule 112 steht auf einer Leiterplatte 110, auf welcher mit den gestrichelten Linien 10 umrandet auch andere zugehörige Schaltkreiskomponenten, zu denen die Kondensatoren 13 und 14 gehören, angebracht sind. Die Spule ist auf der Leiterplatte 110 parallel zu und ausreichend getrennt von der Nachweisspule 11 befestigt, um eine wechselseite magnetische Induktion zwischen den Spulen 11 und 112 zu vermeiden. Da die· Spule 112 als Leiterplatte ausgebildet ist, ist sie leicht auf der Leiterplatte 110 anzubringen und gegenüber äußeren mechanischen Stoßen sicher abgestützt. Ferner sind Schwierigkeiten dahingehend, daß ein Draht der Spule durch einen äußeren mechanischen Stoß abschnellt, beseitigt. Die Leiterplatte 110 wird durch in der Innenwand des Gehäuses ausgebildete Nuten abgestützt. Die Spule 112 der Figur 4 kann dahingehend abgewandelt sein, daß sie aus einem einzigen Plattenabschnitt 8A mit dem spiralförmigen Aufdruck 7A auf der Vorderseite oder einem Paar spiralförmiger Aufdrukke auf Vorder- und Rückseite besteht. Die Platte 8A kann eine starre bsw. massive Platte sein.

Gemäß der Erfindung wird also ein Annäherungsschalter geschaffen, welcher eine Hilfsspule zur Kompensation einer in einer Nachweisspule durch ein externes Magnetfeld hervorgerufenen induzierten elektromotorischen Kraft und einen mit der Hilfsspule parallel verbundenen Kondensator zur Vermeidung, daß die Schwingung der Nachweisspule durch die Hilfsspule beeinfluß wird, enthält. Da ferner sowohl Nachweisspule als auch Hilfsspule kernlos sind, ist eine Bündelung der magnetischen Flußlinien in diese verhindert. Daher ist der Schalter in der Lage, auch unter den Bedingungen eines starken Magnetfeldes einwandfrei zu arbeiten. Es hat sich experimentell erwiesen, daß der Annäherungsschalter neben einer elektrischen Schweißmaschine, die mit ihren Schweiß-Wechsel-

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strömen von mehreren tausend Ampere starke Magnetfelder erzeugt, einwandfrei arbeitet, während herkömmliche Hochfrequenz-Annäherungsschalter nicht verwendet werden können.

Claims

Prioritäten: 03. Dezember 1981 - Japan - Nr. 195455/81

17. Dezember 1981 - Japan - Nr. 189180/81 (GM)

Patentansprüche

yy. Annäherungsschalter, gekennzeichnet durch eine Nachweisspule (11), einen mit der Nachweisspule zu einem Resonanzkreis parallel verbundenen ersten Kondensator (13), eine Hilfsspule (12, 112), einen mit der Hilfsspule zu einem Resonanzkreis parallel verbundenen zweiten Kondensator (14), eine mit der Nachweisspule und der Hilfsspule, die in Reihe geschaltet und gegensinnig gewickelt sind, verbundene Schwingungsschaltung (21), und eine mit der Schwingungsschaltung verbundene Ausgangsschaltung (23), welche Änderungen der durch die Schwingungsschaltung erzeugten Ausgangssignale erhält, v/o bei der zweite Kondensator

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eine höhere Kapazität als der erste Kondensator hat _t so daß der zweite Kondensator bei einer durch die Nachweisspu-Ie und den ersten Kondensator bestimmten Schwingungsfrequenz eine verminderte niedrige Impedanz hat. 5
2 . Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspule (12, 112) parallel zur Nachweisspule (11) angeordnet ist, so daß die Hochfrequenzkopplung zwischen Nachweisspule und Hilfsspule vermindert ist.
3. Annäherungsschalter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein wirbelstromverlustarmes Metallgehäuse (33), welches zwischen Nachweisspule (11) und Hilfsspule (12) angeordnet ist.
4. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsspule (112) eine Leiterplatte (8) mit einem spiralförmigen Leitungsmuster ist.
5. Annäherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das spiralförmige Muster aus einer Anzahl von auf die Leiterplatte (8) gedruckten spiralförmigen Mustern (7A bis 7D) besteht.
6. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Nachweisspule (11) und die Hilfsspule (12, 112) kernlos sind.