DE3244449C2

DE3244449C2 - Annäherungsschalter

Info

Publication number: DE3244449C2
Application number: DE3244449A
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: 1985-03-14
Also published as: US4513257A; DE3244449A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Annäherungsschalter mit einer Nachweisspule (11), einem mit der Nachweisspule zu einem Resonanzkreis parallel verbundenen ersten Kondensator (13), einer Hilfsspule (12), einem mit der Hilfsspule zu einem Resonanzkreis parallel verbundenen zweiten Kondensator (14), einer mit der Nachweisspule und der Hilfsspule, die in Reihe geschaltet und gegensinnig gewickelt sind, verbundenen Schwingungsschaltung (21) und einer mit der Schwin gungsschaltung verbundenen Ausgangsschaltung (23), welche Änderungen der durch die Schwingungsschaltung erzeugten Ausgangssignale erhält, wobei der zweite Kondensator eine höhere Kapazität als der erste Kondensator hat, so daß der zweite Kondensator bei einer durch die Nachweisspule und den ersten Kondensator bestimmten Schwingungsfrequenz eine verminderte niedrige Impedanz hat.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Annäherungsschalter gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist ein Hochfrequenz-Annäherungsschalter bekannt, welcher eine mit einer Nachweisspule gebildete Hochfrequenz-Schwingungsschaltung aufweist, wobei sich die Leitfähigkeit der Nachweisspule bei Annäherung eines durch den Annäherungsschalter festzustellenden Gegenstands entsprechend der Annäherung erhöht, wodurch sich das Schwingungsausgangssignal der Schwingungsschaltung ändert und diese Änderung durch eine zur Schwingungsschaltung gehörige Schaltung, die tin 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 Gleichfeldes den Nachweisvorgang nicht in vollkommener Weise durchführen kann. Dies liegt daran, daß die Feldlinien eines magnetischen Wechsel- oder Gleichfelds 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 einem Maße erhöhen, als ob sich ein Metallgegenstand der Spule nähert Ferner wird durch ein magnetisches Wechselfeld eine Spannung verhältnismäßig großer Amplitude in der Nachweisspule induziert, so daß die induzierte Spannung den zu schwingen aufhörenden Annäherungsschalter in einen Zustand, als ob die Schwingungsschaltung schwingt bringt Ein solcher in einem Magnetfeld installierter Schalter arbeitet also nur unvollkommen.

Bei einem aus der DE-OS 26 44 112 bekannten mit Hochfrequenz arbeitenden Annäherungsschalter der eingangs genannten Art bildet der aus der Hilfsspule und dem zweiten Kondensator aufgebaute Resonanzkreis einen aussendenden Resonanzkreis, welcher mit einem durch eine Nachweisspule und einem erscen Kondensator gebildeten empfangenden Resonanzkreis gleicher Frequenz und Güte gekoppelt ist Der Kopplungsgrad zwischen den beiden Resonanzkreisen kann durch Annäherung eines Gegenstands an einen Fühlkopf mit einer Fühlspule, die Bestandteil beider Resonanzkreise ist, vermindert bzw. ganz unterbunden werden. Die sich daraus ergebenden Änderungen des Schwingungsverhaltens des empfangenden Resonanzkreises werden gemessen und nachgewiesen. Die in der Fühlspule auf diese Weise auftretenden Spannungs-änderungen bleiben klein, so daß sie in explosionsgefährdeten Räumen eingesetzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Annäherungsschalter der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß ein nachzuweisender Gegenstand auch dann noch exakt nachgewiesen werden kann, wenn der Schalter in einem magnetischen Wechsel- oder Gleichfeld installiert ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Annäherungsschalter, wie er in Anspruch 1 gekennzeichnet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

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

F i g. 2 ein schematisches Blockschaltbild des die Schaltung der F i g. 1 verwendenden Annäherungsschalters,

F i g. 3 eine Schnittansicht des Annäherungsschalters, F i g. 4 eine entfaltete Ansicht einer Hilfsspule, die in einem Annäherungsschalter gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, und

F i g. 5 eine schematische Schnittansicht des die Spule der F i g. 4 verwendenden Annähsrungsschalters.

Die Resonanzschaltung enthält einen Resonanzkreis, der aus einer Nachweisspule 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 Hiifsspule 12 ist in F i g. 1 zwar koaxial zur Spule 11 angeordnet, diese koaxiale Anordnung der Spulen ist jedoch nicht nötig, weil ein externes Ma-

gnetfeld nahezu parallel auf 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 Spulen 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 des Kondensators 14 ist so ausgelegt daß sie wesentlich höher als diejenige des Kondensators 13 ist Beispielsweise kann die Kapazität des Kondensators 13 3000 pF und diejenige des Kondensators 1410 · 10⁴ pF betragen.

Wie in F i g. 2 gezeigt ist die Resonanzschaltung der F i g. 1 mit einer Schwingungsschaltung 211 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 des Kondensators 13 bestimmten Resonanzfrequenz, wobei die Impedanz des Kondensators 14 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 Schwingungsampiitude der Schwingungsschaltung 21 verändert sich mit Annäherung eines Metallgegenstands an die Nachweisspule 11, wobei die Änderung der Schwingungsamplitude durch die Nachweisschaltung 22 festgestellt wird, se- daß über eine Ausgangsschaltung 23 ein Nachweissignal erzeugt wird.

F i g. 3 ze'gt den 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 is.t 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, dir» Schwingungsschaltung 21 und die Nachweisschaltung 22 angebracht sind, und einen Metallmantel bzw. -beche- 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 11 und 12 angeordnet, um die Hochfrequenzkopplung zwischen diesen zu vermindern. Da die Impedanz des Kondensators i4 bei der durch den Resonanzkreis aus Spule 11 und Kondensator 13 bestimmten Schwingungsfrequenz praktisch als null zu betrachten ist, entsteht, wenn der durch 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 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 40 ist eine Leiterplatte 42 aufgenommen, auf welcher die Ausgangsschaltung 23 (siehe F i g. 2) angebracht ist Von dem einen Ende des Gehäuses 4i erstreckt sich ein Kabel 43 für die elektrische Spannungsversorgung und ein Ausgangssignal des Annäherungsschalters nach außen. In Fig.3 ist dies zur Vereinfa- chung 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. Gegebenenfalls kann der Füllkunststoff jedoch auch weggelassen sein. Ferner kann i-sr Wandabschnitt zwischen den Kammern der Gehäuse 31 ,jnd 41 fehlen.

Die F i g. 4 und 5 zeigen einen Annäherungsschalter gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Hilfsspule 12 der Γ i g. 1, wie in den F i g. 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 F i g. 2 und ähnlich ausgelegt Wie in F i g. 4 dargestellt, besteht die Hilfsspule 112 dieser Ausführungsform aus einer biegsamen Grundplatte 8 und einer Anzahl von auf die Platte 8 gedruckten spiralförmigen Leitungsmustern TA bis TD. Die einzelnen Muster sind, wie in F i g. 4 dargestellt, in Reihe geschaltet und gegensinnig gedruckt, so daß sie eine kontinuierliche, in allen Teilen gleichsinnige Spule bilden, wenn die Platte 8 längs der strichpunktierten Linien X gefaltet wird. Die gedruckten Muster können mit einem Isolationsfiim beschichtet sein. Die gefaltete Spule 112 ist in F i g. 5 dargestellt Die Spule 112 steht auf einer Leiterplatte 110, au! welcher mit den gestrichelten Linien 10 umrandet auch andere zugehörige Schaltkreiskomponenten, zu denen die Kondensatoren 13 und 14 gehören, angebracht sind. Die Spule 112 ist auf der !.eiterplatte 110 parallel zu und ausreichend getrennt von der Nachweisspule 11 befestigt, um eine wechselseitige 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 Stößen sicher abgestützt Ferner sind Schwierigkeiten dahingehend, daß ein Draht der Spule durch einen äußeren mechanischen S:oß abschnellt, beseitigt. Die Leiterplatte 110 wird durch in der Innenwand des Gehäuses 9 ausgebildete Nuten abgestützt. Die Spule 112 der F i g. 4 kann dahingehend abgewandelt sein, daß sie aus einem einzigen Plattenabschnitt BA mit dem spiralförmigen Aufdruck TA auf der Vorderseite oder einsm Paar spiralförmiger Aufdrucke auf Vorder- und Rückseite besteht. Die Platte M kann eine starre bzw. 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 be-

einflußt wird, enthält. Da ferner sowohl Nachweisspule als auch Hiifsspule 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-Wechselströmen von mehreren tausend Ampere starke Magnetfelder erzeugt, einwandfrei arbeitet, während herkömmliche Hochfrequenz-Annä- to herungsschalter nicht verwendet werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Annäherungsschalter mit einer Nachweisspule, einem mit der Nachweisspule zu einem Resonanzkreis parallel verbundenen ersten Kondensator, einer Hilfsspule, einem mit der Hilfsspule zu einem Resonanzkreis parallel verbundenen zweiten Kondensator, einer mit der Nachweisspule und der Hilfsspule verbundenen Schwingungsschaltung, und einer mit der Schwingungsschaltung verbundenen Ausgangsschaltung, welche Änderungen der durch die Schwingungsschaltung erzeugten Ausgangssignale erhält, dadurch gekennzeichnet, daß Nachweisspule (11) und Hilfsspule (12,112) gegensinnig gewickelt in Reihe geschaltet sind, und daß der zweite Kondensator (14) eine höhere Kapazität als der erste Kondensator (13) hat, so daß der zweite Kondensator (14) bei einer durch die Nachweisspule (11) und den ersten Kondensator (13) bestimmten Schwingungsfrequenz eine verminderte niedrige impedanz hat.

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 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß Hie Hilfsspule (112) eine Leiterplatte (8) mit einem spiralförmigen Leitungsmuster ist

5. Annäherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das spiralförmige Leitungsmuster aus einer Anzahl von auf die Leiterplatte (8) gedruckten spiralförmigen Mustern (7A bis 7D) besteht.

6. Annäherungsschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweisspule (11) und die Hilfsspule (12,112) kernlos sind.