DE4021164C1

DE4021164C1 - Inductive proximity circuit for machine tool - has oscillator transistor output signal compared with external signal for switching initiation

Info

Publication number: DE4021164C1
Application number: DE19904021164
Authority: DE
Inventors: Manfred 6710 Frankenthal De Sagert
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 1990-07-03
Filing date: 1990-07-03
Publication date: 1991-11-14
Anticipated expiration: 2010-07-04

Description

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik:

Kontakt- und berührungslos arbeitende Initiatoren enthalten gewöhnlich einen Hf- Oszillator in einer Sperrschwingerschaltung mit einem aktiven LC-Schwingkreis. Die Induktivität des LC-Schwingkreises ist als Spule mit gerichtetem Hf-Feld ausgebildet. Wird in das Feld ein elektrisch leitendes Medium gebracht, tritt eine Dämpfung im Schwingkreis auf. Bei genügend großer Dämpfung gemäß dem Abstand des Mediums von der Spule des LC-Schwingkreises reißt die Schwingung des Oszillators ab, wobei diese Zustandsänderung innerhalb eines Auswerters in einen Schaltbefehl umgesetzt wird.

Derartige Schalter besitzen die Eigenschaft, daß der Schaltabstand von den Materialeigenschaften und der Beschaffenheit des zu detektierenden Körpers abhängt. Dabei haben zu detektierende Körper aus magnetisch und elektrisch leitfähigem Material einen höheren Schaltabstand, Körper aus magnetisch nichtleitfähigem, aber elektrisch leitfähigem Material einen geringeren Schaltabstand.

Durch die DE 37 14 433 C1 ist ein induktiver Näherungsschalter mit einer Oszillatorschaltung bekannt geworden, mit einem die Frequenz bestimmenden Frequenz- Schwingkreis und mit einem die Verstärkung bestimmenden Impedanzglied, welches einen Impedanzschwingkreis mit einer durch die Annäherung eines metallischen Auslösers beeinflußbaren Sensorspule enthält. Damit der Näherungsschalter für FE- und NF-Auslöser-Metalle den gleichen Schaltabstand aufweist, sollen die Resonanzfrequenz des Oszillatorschwingkreises und der kritische Impedanzwert des Impedanzgliedes auf die Koordinaten des Schnittpunktes der für jeweils gleichen Schaltabstand sich ergebenden Impedanz/Frequenz- Kennlinien für einen NF-Auslöser und einen FE-Auslöser abgestimmt sein. Diese Schaltung benötigt allerdings Schwingkreise von hoher Güte und eine genaue Justierung der kritischen Impedanz der Oszillatorschaltung, wozu ein gesondertes Verstellglied im Impedanzzweig der Oszillatorschaltung vorgesehen werden muß.

Durch die DE 29 15 110 C2 ist ein induktiver Zweidraht-Näherungsschalter mit einem Oszillator bekanntgeworden, der durch ein Anregungssignal in einen schwingenden Zustand und durch Einbringen eines aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden Dämpfungselementes in sein Hochfrequenzfeld vom schwingenden in den nichtschwingenden Zustand zu überführen ist. Der Oszillator besitzt im schwingenden Zustand eine wesentlich höhere Stromaufnahme als im nichtschwingenden Zustand. Über einen steuerbaren Halbleiterschalter, der durch ein Steuersignal von einem sperrenden in einen leitenden Schaltzustand zu bringen ist, wird dem Oszillator das Anregungssignal im leitenden Zustand des gesteuerten Schalters zugeführt, wobei der Schalter vom nichtschwingenden Oszillator in den gesperrten Zustand gebracht wird. Dadurch kann der Oszillator mit Einschalten der Speisespannung nur im ungedämpften oder nichtschwingenden Zustand durch ein kurzes oder impulshaftes elektrisches Signal in den schwingenden Zustand versetzt werden.

Bei speziellen Anwendungen kann die Eigenschaft des unterschiedlichen Schaltabstandes für unterschiedliche Materialeigenschaften des zu detektierenden Körpers nachteilig sein. Zur Behebung dieses Nachteils wurde in der nicht vorveröffentlichten DE-A 39 19 916 ein induktiver Näherungsschalter mit einem Hf- Oszillator mit einem LC-Schwingkreis vorgeschlagen, dem ein weiterer LC- Schwingkreis unter gegenseitiger magnetischer Beeinflussung dergestalt benachbart ist, daß die Spulen der beiden Schwingkreise axial auf einer gemeinsamen Achse sitzend innerhalb von aufeinander aufgesetzten Schalenkernen angeordnet sind. Diese Anordnung bringt wohl eine gleichbleibende Ansprechempfindlichkeit für unterschiedliche Metalle, sie ist jedoch sehr kritisch hinsichtlich der magnetischen Kopplung der beiden Schwingkreise, die sich nach erfolgter Einstellung nicht ändern darf und damit abhängig vom Abstand der beiden Spulen voneinander. Schon sehr geringe Abstandsänderungen, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen, können die magnetische Kopplung der beiden LC- Schwingkreise beeinträchtigen.

Technische Aufgabe:

Der Erfindung liegt die Augabe zugrunde, einen Näherungsschalter der genannten Gattung dergestalt zu verbessern, daß dieser praktisch keinen Reduktionsfaktor aber eine hohe gleichbleibende Ansprechempfindlichkeit für magnetische und unmagnetische zu detektierende Körper bei Vorliegen des Nenn-Schaltabstandes besitzt, wobei eine magnetische Kopplung der beiden Spulen der Schwingkreise gering und ohne Einfluß sein soll.

Darstellung der Erfindung und deren Vorteile

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter weist den Vorteil auf, daß zwischen den Spulen der beiden Schwingkreise praktisch keine oder nur eine sehr geringe induktive Kopplung gegeben ist und deshalb eine Beeinflussung hinsichtlich einer induktiven Kopplung entfällt. Dadurch besitzt der Näherungsschalter eine erhöhte Ansprechempfindlichkeit auf unterschiedliche Metalle, wobei der Reduktionsfaktor wesentlich verbessert ist, der in vorteilhafter Weise für die gebräuchlichsten Metalle, wie Fe, Al, Cu, Ms, V2A oder Legierungen hiervon, praktisch oder fast bei 1 liegt. Der induktive Näherungsschalter ist dadurch sowohl für die Detektion von magnetischen wie unmagnetischen Metallgegenständen geeignet. Der Einbau des zweiten LC-Schwingkreises in den Näherungsschalter ist völlig unproblematisch, weil sich die beiden LC-Schwingkreise nicht induktiv hinsichtlich ihrer geometrischen Lage und Anordnung beeinflussen, sondern ausschließlich elektrisch über die Rückkopplung über den Transistor.

Des weiteren besitzt der erfindungsgemäße Näherungsschalter den Vorteil, daß derselbe ohne Beeinträchtigung seiner vorteilhaften Eigenschaften in eine Metallwand bündig eingebaut werden kann.

Dabei ist eine Detektion mittels des erfindungsgemäßen Näherungsschalters vorteilhafterweise unabhängig von den Materialeigenschaften oder vom Metall des zu detektierenden Körpers; der Schaltabstand entspricht mindestens dem Nenn- Schaltabstand eines Näherungsschalters des Standes der Technik. In vorteilhafter Weise beträgt der Reduktionsfaktor 1 oder praktisch 1, so daß der Schaltabstand des Näherungsschalters vom Material des zu detektierenden Körpers unabhängig ist. Zwischen den beiden Spulen des aktiven und des passiven Schwingkreises besteht keine oder praktisch keine induktive Kopplung, weshalb die geometrische Anordnung des passiven Schwingkreises zur Bewirkung des Reduktionsfaktors 1 innerhalb des Gehäuses des Näherungsschalters beliebig ist und allein den geometrischen Gegebenheiten des Gehäuses angepaßt werden kann. Daher brauchen die Bauelemente nicht ähnlich zu sein, sondern können beliebig sein.

Ein Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die ein prinzipielles Schaltbild des induktiven Näherungsschalters zeigt.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung:

Der Oszillator in Sperrschwingerschaltung besteht aus einem Oszillator-Transistor 1 - hier mit npn-Übergängen - an dessen Basiszuleitung 13 über einen Basisvorwiderstand 14 der positive Pol 18 einer Spannungsquelle 6 mit einem Innenwiderstand Ri gelegt ist. Selbstverständlich kann die Schaltung auch mit Transistoren mit pnp-Übergängen aufgebaut sein.

Der Emitter 7 des Transistors 1 ist über einen Widerstand 8 an die Anzapfung 9 einer Spule 11 gelegt, die parallel zu einem Kondensator 12 geschaltet ist, so daß die Spule 11 und der Kondensator 12 einen LC-Schwingkreis 10 bilden, der aktiv genannt wird, weil seine Schwingungen von einem sich der Spule 11 nähernden metallischen Körper 21 beeinflußt werden. Der Schwingkreis ist vorzugsweise ein Parallelschwingkreis.

Das eine Ende der Spule 11 bzw. des LC-Schwingkreises ist über eine Diode 15 mit der Basiszuleitung 13 des Transistors 1 und mit dem Basisvorwiderstand 14 verbunden. Das andere Ende der Spule 11 ist mit dem negativen Pol 19 der Spannungsquelle 6 verbunden; zwischen beiden Polen 18 und 19 der Spannungsquelle 6 liegt ein weiterer Kondensator 17 parallel zur übrigen Schaltung.

An dem Kollektor 2 des Transistors 1 ist ein weiterer LC-Schwingkreis 3 aus einer Spule 5 und einem Kondensator 4 angeordnet, die parallel geschaltet sein können, wobei der LC-Schwingkreis 3 an den positiven Pol 18 der Spannungsquelle 6 gelegt ist. Dieser LC-Schwingkreis 3 kann als passiv bezeichnet werden, da er weder von dem sich der Spule 11 des aktiven Schwingkreises 10 nähernden metallischen Körper 21, noch vom Magnetfeld der Spule 11 (nennenswert) beeinflußt wird. Der Kollektor 2 des Transistors 1 ist zum Emitter 7 mittels eines Kondensators 16 überbrückt.

Die Wirkungsweise des induktiven Näherungsschalters ist folgende:
Wenn sich innerhalb des induktiven Feldes der Spule 11 des aktiven LC-Schwingkreises 10 kein metallischer Körper befindet, schwingt die Schaltung, wobei der Oszillator-Transistor 1 am Kollektor 2 eine Phasendrehung der Schwingungen gegenüber dem Emitter 7 bewirkt. Über den Kondensator 16 werden die Schwingungen des passiven Schwingkreises 3 gegenphasig rückgekoppelt, was bewirkt, daß die Schwingungsamplitude am Kollektor 2 des aktiven Schwingkreises zurückgeht, aber dann stabil bleibt.

Der zweite LC-Schwingkreis 3 innerhalb der Kollektorzuleitung 2 bewirkt, daß der Reduktionsfaktor für unterschiedliche metallische Werkstoffe des Körpers 21 gleich 1 oder praktisch 1 beträgt. Dabei besteht zwischen den Spulen 11 und 5 des aktiven und des passiven Schwingkreises 10, 3 keine oder praktisch keine induktive Kopplung, die von Bedeutung wäre, weshalb die geometrische Anordnung des Schwingkreises 3 innerhalb des Gehäuses des Näherungsschalters beliebig ist. Bauart und Bauform der Elemente der Schwingkreise, vorzugsweise der Spulen, sind beliebig.

Nach Anlegen einer Spannung 6 an die Klemmen 18, 19 baut sich im passiven LC-Schwingkreis 3 eine Schwingung mit relativ großer Amplitude auf, die gegenüber der Schwingung im aktiven LC-Schwingkreis 10 aufgrund des dazwischengeschalteten Transistors 1 phasenverschoben ist. Über einen Widerstand 20 innerhalb z. B. der negativen Spannungszuleitung 19 kann das Ausgangssignal u_A zur Auslösung eines Schaltvorganges abgegriffen werden.

Der Schaltabstand entspricht in vorteilhafter Weise dem Schaltabstand eines Näherungsschalters des Standes der Technik. In vorteilhafter Weise ist aber der Reduktionsfaktor 1, so daß der erfindungsgemäße Näherungsschalter von den Materialeigenschaften des zu detektierenden Körpers 21 unabhängig ist.

Liste der Bezugszeichen:

1 Oszillator-Transistor
2 Kollektor
3 LC-Schwingkreis
4 Kondensator
5 Spule
6 Spannungsquelle
7 Emitter
8 Emitterwiderstand
9 Anzapfung
10 LC-Schwingkreis
11 Spule
12 Kondensator
13 Basiszuleitung
14 Basisvorwiderstand
15 Diode
16, 17 Kondensatoren
18, 19 Pole der Spannungsquelle
20 Widerstand zum Abgriff des Ausgangssignals
21 zu detektierender, metallischer Körper
R_i Innenwiderstand der Spannungsquelle

Claims

1. Induktiver Näherungsschalter bestehend im wesentlichen aus einem Transistor- Oszillator, dessen Zustand zur Ableitung eines Ausgangssignals (u_A) benützt wird, mit einem LC-Schwingkreis (10) zur Bestimmung des Weges und/oder der Position im Raum und/oder der Materialeigenschaften eines zu detektierenden elektrisch leitfähigen Körpers (21) durch Einbringen desselben in das elektromagnetische Feld der Spule (11) des LC-Schwingkreises (10), mit einem Oszillator- Transistor (1), dessen Kollektor (3) in Reihe mit einem aus einer Spule (5) und einem Kondensator (4) bestehenden zweiten LC-Schwingkreis (3) geschaltet und an den einen Pol (18) einer Spannungsquelle (6) gelegt ist dergestalt, daß bei Anwesenheit in einem vorgegebenen Bereich des zu detektierenden Körpers entsprechend seines Abstandes von der Spule (11) des ersten LC-Schwingkreises (10) der Oszillator beeinflußt und bei Abwesenheit des zu detektierenden Körpers der Oszillator nicht beeinflußt wird, wobei das Ausgangssignal mit einem Fremdsignal verglichen wird und einen Schaltvorgang auszulösen imstande ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (7) und der Kollektor (2) des Oszillator-Transistors (1) mit einem Kondensator (16) überbrückt sind.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (5) und der Kondensator (4) des zweiten LC-Schwingkreises (3) parallel geschaltet sind.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden LC-Schwingkreise (3, 10) die gleiche oder ungefähr die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen.