DE3901678A1 - Naeherungsschalter mit magnetfeldempfindlichem sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Näherungsschalter mit Aussteuerung durch Eisen- oder ferritische Teile, dessen Fühleranordnung einen an einem Permanent­ magneten angeordneten magnetfeldempfindlichen Sensor, z. B. Hallgenerator oder Feldplatte aufweist, aus dessen Ausgangsspannung ein Aussteuersignal gewonnen und einer Schalt-Endstufe zugeführt wird.

Bei einem derartigen, durch die Literaturstelle "Feld­ platten und Hallgeneratoren", 1985, Siemensverlag Seite 118 und 119, bekannten Näherungsschalter ist der magnetfeldempfindliche Sensor auf einer Polfläche eines Stabmagneten angeordnet. Die Ansteuerung erfolgt dort durch ein parallel zur Polfläche des Stabmagneten am Sensor vorbeigeführtes oder senkrecht zur Polfläche angenähertes weichmagnetisches Eisenteil. Wenn sich das Eisenteil unmittelbar vor dem Sensor befindet, ergibt sich eine maximale Hallspannung, die mit zu­ nehmender Entfernung des Weicheisenteiles vom Sensor auf einen konstanten Wert abklingt. Dieser konstante Wert, auch Offset genannt, ist bei dieser bekannten Anordnung von Magnet und Sensor im allgemeinen mehr­ fach größer als die Signaländerung beim Vorbeiführen des Weicheisenteiles. Derart aufgebaute Näherungs­ schalter erweisen sich deshalb als sehr temperatur­ abhängig, was große Probleme beim praktischen Einsatz solcher Näherungsschalter, beispielsweise zur Kolben/ Zylinderüberwachung bei vollautomatisierten Ferti­ gungsstraßen oder sonstigen robotermäßigen Anlagen, erbringt. Auch durch aufwendige Temperaturkompensa­ tionsschaltungen ist vielfach den Problemen nicht zu begegnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hin­ sichtlich seines Schaltabstandes temperaturunabhän­ gigen Näherungsschalter zu schaffen, der insbesondere zur Überwachung der Kolben/Zylindereinrichtungen bei vollautomatisierten Fertigungsanlagen geeignet sein soll.

Ausgehend von einem gattungsgemäßen Näherungsschalter, wird die Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Permanentmagnet mindestens einen ringförmigen Magnetpol aufweist und daß der galvano­ magnetische Sensor in der magnetfeldfreien Zone des ringförmigen Magnetpoles angeordnet ist.

Durch diese Maßnahme ist eine nahezu vollständige Tem­ peraturstabilisierung des Schaltabstandes des Nähe­ rungsschalters erreicht, was sich daraus erklären dürfte, daß in der nichtangesteuerten Grundstellung der Sensor keinem Induktionsfluß ausgesetzt ist und somit seine Hallspannung null ist. Bei einer Annähe­ rung des ansteuernden Eisen- oder Ferritteiles wird das Magnetfeld derart verzerrt, daß ein Induktionsfluß durch den Sensor verläuft, so daß sich nunmehr eine gegenüber dem Null- oder Minimal-Offset deutlich ansteigende Hallspannung ergibt, die bei einem be­ stimmten Abstand des Auslösers einen Schaltvorgang beim Näherungsschalter auslöst. Wie umfangreiche Untersuchungen ergeben haben, ändert sich der einmal bei der Auslegung des Näherungsschalters gewählte Schaltabstand nicht, solange in einem Temperatur­ bereich von etwa -20°C bis 70°C gearbeitet wird.

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung kann vorgesehen werden, daß der Innendurchmesser des ringförmigen Mag­ netpoles um ein Mehrfaches größer als die Längs- und Querabmessung des galvanomagnetischen Sensors ist. Der Permanentmagnet kann ein Ringmagnet sein oder auch ein Stabmagnet, der an einer Polfläche mit einer axialen Sacklochausnehmung versehen ist.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen werden, daß der galvanomagnetische Sensor auf einer Platine angeordnet ist, die auf der Rückseite einen zum Sensor konzentrischen Gewindezapfen trägt, welcher in die mit einem Innengewindeteil versehene Innenöffnung des Permanentmagneten zwecks Positionierung des Sensors in der feldfreien Zone einschraubbar ist. Durch diese Maßnahmen ist bei der Herstellung des Näherungs­ schalters eine einfache Möglichkeit gegeben, den Sensor optimal in die feldfreie Zone des Ringmagneten zu bringen, was durch Überwachung der Offset-Spannung kontrolliert werden kann. In der optimalen Stellung wird dann die Lage des Sensors fixiert, beispielsweise durch Ausgießen des Schalters mit Gießharz.

Beim Einbau der Näherungsschalter in Fertigungsstra­ ßen, bei denen Schweißarbeiten durchgeführt werden, besteht allerdings die große Gefahr, daß der Nähe­ rungsschalter durch die Magnetfelder der hohen Schweißströme ausgelöst wird. Zur Erzielung einer sogenannten "schweißfesten" Ausführung ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Per­ manentmagnet von einer durch ein magnetisches Stör­ wechselfeld beeinflußbaren Spule umschlossen ist, deren Ausgang an einer Signalauswertschaltung ange­ schlossen ist, welche ein durch ein magnetisches Wechselfeld erzeugtes Ausgangssignal gesondert als Störung erfaßt und über eine sperrbare Halteschaltung den Schaltsignalweg vom galvanomagnetischen Sensor zur Schalt-Endstufe sperrt, solange das magnetische Stör­ wechselfeld vorliegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild zum Näherungsschal­ ter nach der Erfindung,

Fig. 2, 3 und 4 je eine Skizze zur Veranschauli­ chung der magnetischen Induktionsfelder bei nichtangesteuertem und angesteuertem Näherungsschalter,

Fig. 5, 6 und 7 Diagramme, die die Hallspannung in Abhängigkeit von dem Ansteuerungsweg und der Positionierung des Sensors relativ zum Permanentmagneten veranschaulichen,

Fig. 8 verschiedene Ausführungsformen verwend­ barer Permanentmagnetanordnungen bzw. verwendbarer Ringmagnete,

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel für die konstruk­ tive Ausbildung der Fühleranordnung des Näherungsschalters und

Fig. 10 in einem Blockschaltbild ein zweites Ausführungsbeispiel des Näherungsschalters nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Permanent-Ringmagneten 1 mit Innen­ öffnung 2 und zwei ringförmigen Magnetpolen 3, 4. In der verlängerten Achse des Ringmagneten 1 ist in einem Abstand X von der Ebene des Poles 3 entfernt ein Hall­ sensor 5 angeordnet, der in einer magnetfeldfreien Zone 6 des Ringmagneten angeordnet ist, vgl. auch Fig. 2. Bei dem Hallsensor 5 handelt es sich um ein IC-Glied mit eigentlichem Hallelement, Spannungs­ regler, Stromregler, Differenzverstärker und Aus­ gangsverstärker. Der Ausgang des Hallsensors 5 wird über einen Verstärker 7, Schwellwertschalter 8 und ein Verzögerungsglied 9 an einer End-Schaltstufe 10 geliefert. In nichtangesteuertem Zustand ist die Ausgangsspannung des Hallsensors praktisch Null.

Bei einer Ansteuerung durch einen Auslöser 11 in einer Richtung d senkrecht zur Ebene des Poles 3 - vgl. Fig. 3 - wird das Induktionsfeld derart verzerrt, daß die magnetfeldfreie Zone 6 vom Sensor 5 wegwandert, der mit zunehmender Annäherung des Auslösers 11 eine steigende Hallspannung liefert, vgl. die Spannungs­ charakteristik nach Fig. 5. Der Näherungsschalter ist so ausgelegt, daß er bei Erreichen der Ausgangs­ spannung U _s schaltet, d. h. bei einer Annäherung des Auslösers bis auf den Abstand d _s .

In Fig. 3 ist ein flächiger ferritischer Auslöser 11, z.B. aus Blech, dargestellt, der etwa gleich groß wie der Ringmagnet ist, der aber auch noch um ein Mehr­ faches größer sein könnte als der Ringmagnet.

Eine analoge Auswanderung der magnetfeldfreien Zone 6 und eine damit verbundene Durchflutung des Sensors 5 kann auch durch Annäherung einer schmalen ferritischen Blechkante oder eines schmalen, stiftförmigen Aus­ lösers 12 bewirkt werden (vgl. Fig. 4), dessen Durch­ messer beim gezeigten Ausführungsbeispiel wesentlich kleiner als der Durchmesser der Innenöffnung 2 des Ringmagneten ist und der in Richtung des Doppelpfeiles d axial auf den Ringmagneten zugeführt wird. Wird der Auslöser 12 in Richtung des Pfeiles s parallel zur Ebene des Poles 3 an dem Sensor 5 vorbeigeführt, ergibt sich die Kennlinie nach Fig. 6, die ein Maximum für die Hallspannung zeigt, wenn der Auslöser 12, wie in Fig. 4, unmittelbar dem Sensor 5 gegenüberliegt.

Fig. 8 veranschaulicht vier Ausführungsformen für nur aus einem einzigen Permanentmagneten bestehende Magnetanordnungen 1 a, 1 b, 1 c und 1 d und eine aus zwei achsparallelen Stabmagneten 32, 33 bestehende fünfte Ausführungsform. Der Ringmagnet 1 mit innerer Durch­ gangsbohrung 2 und ebenfalls zylinderförmiger Außen­ fläche 13 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar. Es ist aber auch ein Stabmagnet 14 verwendbar, der an einer Polfläche 3 mit einer sacklochartigen Ausnehmung 15 versehen ist, durch die der Polfläche 3 Ringform verliehen ist. Ebenfalls ist die Verwendung von in ihren Außenabmessungen rechteckigen oder quadratischen Permanentmagneten 16, 17 möglich, da nur entscheidend ist, daß durch eine Durchgangsbohrung 18, 19 - oder Sacklochausnehmung - eine ringförmige Polfläche 20, 21 gegeben ist.

Fig. 9 zeigt eine konstruktive Ausführungsform der Fühleranordnung 22 des Näherungsschalters. Der Sensor 5 ist hier auf einer Platine 23 befestigt, die an der gegenüberliegenden Seite einen zum Sensor konzentri­ schen Gewindezapfen 24 trägt. In die Innenbohrung des Ringmagneten 1 ist eine mit Innengewinde versehene Buchse 25 eingefügt, in die der Gewindezapfen 24 eingeschraubt ist. Bei der Herstellung kann durch mehr oder weniger weites Einschrauben der Abstand X zwischen Sensorelement 5 und Polfläche 3 variiert werden und der Sensor 5 dabei in die magnetfeldfreie Zone 6 gerückt werden, in der die Ausgangsspannung des Sensors 5 ein Minimum hat, vgl. das Diagramm nach Fig. 7. Bei Verwendung handelsüblicher Bauelemente liegt die magnetfeldfreie Zone und damit die Position des Sensors 5 etwa in 1 mm Abstand vor der Polfläche 3.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 10 ist der Permanentmagnet 1 von einer Spule 26 umschlossen, in welcher durch äußere Störfelder eine Spannung indu­ ziert wird. Durch ein solches äußeres magnetisches Störfeld wird auch eine Ausgangsspannung beim Sensor 5 erzeugt, was zu Fehlschaltungen führen würde. Um solche Fehlschaltungen zu vermeiden, wird das in der Spule 26 erzeugte Signal über einen Filter 27, der nur störfeldfrequente Signale durchläßt, einen Verstärker 28, eine Störauswerteschaltung 29 und ein Verzögerungsglied 30 an den C-Eingang einer Halte­ schaltung 31 geliefert, an deren D-Eingang der Schaltsignalweg vom Sensor 5 führt. Wenn über den Störsignalweg am C-Eingang ein Störsignal ansteht, sperrt die Halteschaltung 31 den Signalweg vom Sensor 5 zur Schalt-Endstufe 10, so daß sichergestellt ist, daß durch Störwechselfelder der Näherungsschalter nicht zu einem Schaltvorgang ausgelöst wird. Dabei ist die Halteschaltung 31 so eingerichtet, daß die vom Ausgang des Schaltsignalweges 7, 8, 9 kommenden Signalzustände dann und nur dann auf den Ausgang Q der Halteschaltung 31 durchgeschaltet werden, wenn das vom Ausgang der Störauswerteschaltung 29 kommende Signal ausweist, daß kein magnetisches Wechselfeld den Sensor 5 beeinflußt.

Bezugszeichenliste

 1 Permanent-Ringmagnet
 1 a bis 1 e Permanentmagnetanordnungen
 2 Innenöffnung
 3 ringförmiger Magnetpol
 4 ringförmiger Magnetpol
 5 Hallsensor
 6 magnetfeldfreie Zone
 7 Verstärker
 8 Schwellwertschalter
 9 Verzögerungsglied
10 End-Schaltstufe
11 Auslöser
12 Auslöser
13 Außenfläche
14 Stabmagnet
15 Ausnehmung
16 Permanentmagnet
17 Permanentmagnet
18 Durchgangsbohrung
19 Durchgangsbohrung
20 Polfläche von 16
21 Polfläche von 17
22 Fühleranordnung
23 Platine
24 Gewindezapfen
25 Buchse
26 Spule
27 Filter
28 Verstärker
29 Störauswerteschaltung
30 Verzögerungsglied
31 Halteschaltung
32 Stabmagnet
33 Stabmagnet

Claims (8)

1. Näherungsschalter mit Aussteuerung durch Eisen- oder ferritische Teile, dessen Fühleranordnung einen an einer Permanentmagnetanordnung ange­ ordneten magnetfeldempfindlichen Sensor, z. B. Hallgenerator oder Feldplatte, aufweist, aus dessen Ausgangsspannung ein Aussteuersignal gewonnen und einer Schalt-Endstufe zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanent­ magnetanordnung (1 a) mindestens eine magnetfeld­ freie Zone (6) aufweist und daß der magnetfeld­ empfindliche Sensor (5) in der magnetfeldfreien Zone (6) der Magnetanordnung (1 a) positioniert ist.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnetanordnung (1 e) aus mehreren, nebeneinander, z.B. auf einer Kreisbahn, angeordneter Permanentmagnete (32, 33) besteht.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die größte Weite zwischen benach­ barten Permanentmagneten (32, 33) größer als die Längs- und Querabmessungen des magnetfeldempfind­ lichen Sensors (5) sind.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnetanordnung (1 a) aus einem permanenten Ringmagneten (1) besteht.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innendurchmesser des ringförmi­ gen Magnetpoles (3) um ein Mehrfaches größer als die Längs- und Querabmessung des Sensors (5) ist.

6. Näherungsschalter nach Anspruch 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnetanordnung (1 b) ein an einer Polfläche (3) mit einer axialen Sacklochaus­ nehmung (15) versehener Stabmagnet (14) ist.

7. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (5) auf einer Platine (23) angeordnet ist, die auf der Rückseite einen zum Sensor konzen­ trischen Gewindezapfen (24) trägt, welcher in die mit einem Innengewindeteil (25) versehene Innen­ öffnung (2) des Ringmagneten (1) zwecks Posi­ tionierung des Sensors in der feldfreien Zone (6) einschraubbar ist.

8. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetanordnung (1) von einer durch ein magnetisches Störwechselfeld beeinflußbaren Spule (26) umschlossen ist, deren Ausgang an eine Signalauswertschaltung (27 bis 30) angeschlossen ist, welche ein durch ein magnetisches Wechselfeld erzeugtes Ausgangssignal gesondert als Störung er­ faßt und über eine sperrbare Halteschaltung (31) den Schaltsignalweg vom magnetfeldempfindlichen Sensor (5) zur Schalt-Endstufe (10) sperrt, solange das magnetische Störwechselfeld vorliegt.