EP1847019A1 - Inductive proximity switch based on a transformer coupling factor principle - Google Patents

Inductive proximity switch based on a transformer coupling factor principle

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Publication number
EP1847019A1
EP1847019A1 EP06706739A EP06706739A EP1847019A1 EP 1847019 A1 EP1847019 A1 EP 1847019A1 EP 06706739 A EP06706739 A EP 06706739A EP 06706739 A EP06706739 A EP 06706739A EP 1847019 A1 EP1847019 A1 EP 1847019A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
coils
receiving
proximity switch
switch according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06706739A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Kühn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pepperl and Fuchs SE
Original Assignee
Pepperl and Fuchs SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pepperl and Fuchs SE filed Critical Pepperl and Fuchs SE
Publication of EP1847019A1 publication Critical patent/EP1847019A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/95—Proximity switches using a magnetic detector
    • H03K17/9505—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/95—Proximity switches using a magnetic detector
    • H03K17/952—Proximity switches using a magnetic detector using inductive coils
    • H03K17/9525—Proximity switches using a magnetic detector using inductive coils controlled by an oscillatory signal
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
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    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/95—Proximity switches using a magnetic detector
    • H03K17/952—Proximity switches using a magnetic detector using inductive coils
    • H03K2017/9527—Details of coils in the emitter or receiver; Magnetic detector comprising emitting and receiving coils

Definitions

  • the invention relates to an inductive proximity switch based on the transformer coupling factor principle, comprising at least one transmitting coil, an oscillator circuit and at least two receiving coils arranged in the alternating magnetic field of the transmitting coil, the transmitting coil and the receiving coil being arranged adjacent to one another on a printed circuit board, and one The receiving coil connected evaluation circuit, which generates a switching signal when approaching a target to the proximity switch from the evaluation of the received signals of the receiving coils, according to the preamble of claim 1.
  • Inductive proximity switches are sensors which are non-contact on approach of a metallic or non-metallic object, target, d. H. without direct contact, react.
  • Inductive proximity switches two basic principles are known.
  • Either the heart of such a sensor is a current-carrying coil that generates a magnetic alternating field.
  • the alternating current is generated by an oscillator. If a metallic object, trigger or target, enters this magnetic field, the eddy current losses caused by the target are created, the resonant circuit is damped, whereby the oscillation amplitude changes.
  • This change can, electrically amplified, as a measure, for. B. be used for the distance of the target from the coil. Due to a hysteresis effect, the measured variable when moving the target in the direction of the proximity switch differs from that when moving in the opposite direction.
  • This design has disadvantages in principle, namely it requires a usually complex construction, a ferrite and a coil winding and high tolerance requirements for increased switching distances. Likewise, a lack of weld strength is given because the saturation of the ferrite leads to errors.
  • the coupling factor can usually be set between 0 (no coupling) and 1 (perfect coupling), where the coupling factor K determines the magnitude of the mutual inductance M of the circuit.
  • a target placed in the switching range of the proximity switch alters the coupling.
  • the coupling evaluation avoids the disadvantages described above; However, it has the disadvantage that it is not easy to realize because of the lower signal level in the prior art in turn so far.
  • the switching distance of a proximity switch is not critical to external electrical noise and in particular insensitive to its installation in a machine part and its installation conditions. Likewise, the switching distance should remain constant at different operating temperatures.
  • the reduction factor which is set to 1, based on iron. Other metals have a smaller reduction factor, which means that the switching distance at which the proximity switch switches is shorter than with iron. In today's proximity switches, a constant reduction factor of 1 is desired, meaning that all metals have the same or approximately the same switching distance. This is best achieved with inductive proximity switches according to the transformer coupling principle.
  • the proximity switch can distinguish, with different reduction factor, which metal is the triggering target.
  • an inductive proximity switch with an oscillator is known, which feeds a transmitting coil, which can be constructed with or without ferrite and generates an alternating magnetic field, wherein the oscillator by a penetrating into the alternating field metallic shutter in his Vibration state is affected, as well as with an evaluation circuit for obtaining a switching signal from the change of the vibration state.
  • the sensor coils are formed by their spatial position to each other and by the respective numbers of turns such that the differential AC voltage at the desired response distance to zero becomes. Since the two secondary coils are arranged in an opposite sense of winding, then the two induced mutual induction voltages add up to zero, so that the voltage zero or almost zero is applied to the terminals of the receiver coils.
  • the difference AC voltage is fed back to the input of the oscillator amplifier of the oscillator such that at a differential AC voltage zero of the oscillator changes its vibrational state abruptly.
  • the two secondary coils lie with their ring levels in a plane, wherein the secondary coils surround the transmitting coil in the middle between them so that the sensor coils have an equal distance from the transmitting coil.
  • the transmitting coil and the two sensor coils are arranged coaxially in different planes to each other, wherein the transmitting coil is arranged between the two sensor coils.
  • This arrangement is critical to mechanical deformations that may occur during use or when the proximity switch is heated. This in turn can result in faulty circuits as well as a change in the switching distance can occur.
  • the antiserial interconnection of the two secondary coils is associated with the disadvantage that the differential voltage is subject to considerable temperature dependence.
  • DE 103 18 350 B3 discloses a ferrite-free inductive proximity switch with a transmitting coil and a receiving coil arranged in its magnetic alternating field such that the magnetic flux impressed by the alternating magnetic field in the receiving coil is zero in the switching or rest position of the proximity switch or is close to zero, wherein the coils are arranged offset adjacent to each other, so that the emerging from the coil surface of the transmitting coil field lines that penetrate the coil surface of the receiving coil in one direction, the coil surface of the receiving coil also penetrate in the opposite direction.
  • the receiving coil has an annular coil surface, wherein the transmitting coil has a circular coil surface, the periphery of which is overlapped by the receiving coil all around. At least one coil is formed by a spiral conductor track of a printed circuit board.
  • the coil surface of the receiver coil is arranged opposite to the alternating magnetic field such that the field lines, which originate from the coil surface and pass through the coil surface of the receiver coil, also recede through the coil surface of the receiver coil.
  • the magnetic flux generated in the receiving coil ie the surface integral via the alternating magnetic field, is zero or close to zero there, whereby the voltage induced in the receiving coil is equal to zero or very low, if no other alternating fields are present are.
  • an overlap of transmitting coil and receiving coil means the presence of crossing points of the coil windings, so that such a coil structure without multilayer construction can not be applied to one and the same side of a circuit board. Or it may be the one coil on the top and the other coil are applied to the underside of a board, which also has a relatively expensive production result, but also limits the scope.
  • the first coil is disposed between the second and third coils.
  • a generator coil and a detector coil are applied on each individual circuit board.
  • the generator coils are either arranged in the center of the detector coils or the detector coils are arranged centrally.
  • the coils on the two circuit boards are connected to one another in such a way that by folding the printed circuit boards into the plane or out of the plane to the parallel position, the coils connected in series receive an identical or opposite winding sense.
  • the invention has for its object to provide a, preferably ferrite, inductive proximity switch, based on the transformer coupling factor principle, of the aforementioned type, which has a largely material-independent response or a reduction factor 1 or near 1 and against external DC and AC fields is largely resistant by the possibility of waiving ferritic materials is feasible.
  • 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 surround a circular or annular or polygonal or elliptical coil surface, wherein either the transmitting coil is peripherally surrounded by the first receiving coil 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 is peripherally surrounded by the transmitting coil, 2nd 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, and in perpendicular parallel projection on the coils, the transmitting coil is spaced from its adjacent receiving coil, without the projections of the coils overlap.
  • the second receiving coil may be surrounded by a third and possibly one or more peripheral receiving coils, wherein in the second alternative of claim 1, the outer receiving coil is peripherally surrounded by the transmitting coil.
  • the transmitting coil is surrounded by a first receiving coil, and this is in turn surrounded by the second receiving coil and optionally this from a third or n-th peripheral receiving coil, or a first receiving coil is from a second receiving coil and, if appropriate, this of a third or N th receiving coil surrounded, wherein the n-th receiving coil is peripherally surrounded by the transmitting coil, so that in both alternatives of claim 1, both the spanned by the respective outer coil surface coil area completely covers all coil surfaces of the other inner coils as well as in vertical Parallel projection on the coils, the transmitting coil or any other coil is spaced from the next adjacent receiving coil, without the vertical projections of transmitting and / or receiving coils overlap or intersect. Under “coil surface” is understood the spanned by the respective coil in a vertical projection surface.
  • the inductive proximity switch according to the invention has significant advantages over the prior art.
  • the proximity switch has a largely material-independent response or a reduction factor of 1 or close to 1, which is resistant or almost resistant to external DC and AC fields by largely dispensing with ferritic materials, and thus in a non-ferrite application high welding strength having.
  • the proximity switch according to the invention implements high switching distances, as well as its use complex, mechanically complex and costly multi-coil systems with conventional winding technology can be avoided with the problems of poor stability and reproducibility through the use of inexpensive circuit board coil system.
  • the proximity switch according to the invention makes it possible to obtain a high signal level and is easy to implement.
  • the proximity switch according to the invention it is possible to realize print coil arrangements with high temperature stability and reproducibility.
  • a planar arrangement of all conductor structures is present and no or only slight overlaps in perpendicular projection of the coils are present on each other.
  • Transmitter and receiver coils preferably do not overlap, as well as the receiver coils preferably do not overlap.
  • the inventive arrangement of transmitting and receiving coils to each other with no or only slight overlap causes the magnetic fluxes, which are generated by the transmitting coil in the receiving coil, not to zero or close to zero, but always clearly from zero are different and thus provide evaluable induction voltages.
  • the flux, integral across the receiving coil surfaces, is always distinctly different from zero. This also gives a smaller CTE of the PCB in the plane as well as an independence of layer distances.
  • the coil geometries of the coils are not limited to a circular or annular shape, but it can as far as possible all forms, such as a polygonal or annular or elliptical guided or shaped coil and coil surface shapes, are used.
  • the outermost coil, receiver coil or transmitter coil is surrounded by a peripherally arranged closed conductor track, wherein a closed conductor track can additionally be located between adjacent receiver coils.
  • a closed conductor track can additionally be located between adjacent receiver coils.
  • at least one closed conductor track can be located between adjacent receiver coils.
  • the inventive use of at least two or more independent receiving coils opens up the possibility of separately evaluating or linking their signals, so that, for example, linear combination or ratio formations of the two signals or of a plurality of 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.
  • the turns of transmitting coil and receiving coils are in principle spiral arranged in a planar plane. In this way, printed coils can be easily produced.
  • the transmitting coil is circular, that is distributed over a circular area; the receiving coils are annular, peripherally surrounding the transmitting coil.
  • the inner first receiving coil is circular, that is distributed over a circular area or annular, and the other, the first receiving coil surrounding receiving coils including the outer transmitting coil are each annular coils, in both alternatives in perpendicular parallel projection on the coils these spaced apart are or can touch each other.
  • the coils thus formed are in the form of hollow polyhedra or hollow ellipsoids, or the turns of the coils span polyhedrons or ellipsoids of the thickness of the coil.
  • the proximity switch according to the invention is under a coil arrangement in a vertical parallel projection on the same in a further plane at least one more identical coil arrangement, whereby the coils of the coil assembly are divided into interconnected partial coils to different levels, which respective sub-coils arranged congruently one above the other and in the same direction in series, namely in series, as well as in the same direction are flowed through by the current.
  • the transmitting coil is in sub-coils, which are preferably connected in series, divided, which are preferably arranged congruently one above the other in two superimposed planes and flowed through in the same direction from the stream.
  • the in the receiving coils due to the magnetic flux changes are generated These voltage signals can be evaluated in the evaluation circuit according to the difference principle.
  • the same has a cylindrical construction with a metallic sleeve and concentric conductor structures of its coils.
  • the conductor structures in particular those of the receiver coils, can be open rings.
  • at least one of the coils, namely transmitting coil and / or receiving coils, may be formed by a spiral-shaped conductor track on or in a circuit board.
  • the proximity switch according to the invention is constructed without ferrite, whereby it has a high welding strength.
  • an inventive proximity switch can be used with a ferrite, wherein the ferrite, for example, as a disc, preferably with a small thickness, below the transmitting coil, in particular in a recess of the board, is arranged on or in the board.
  • a suitable and adapted field modeling can be achieved.
  • the projections of transmitting and / or receiving coils can also overlap or intersect slightly, which u.U. can be favorable manufacturing technology. Likewise, slight overlaps of the projection of the coils can be accepted in the peripheral region of the coils in projection, without thereby diminishing the advantages of the proximity switch according to the invention.
  • the influence of the installation attenuation of the proximity switch according to the invention can be largely reduced, so that with a suitable combination of the receiving voltages of the receiver coils in an evaluation circuit, the resulting output signal is almost only affected by the target.
  • the transmitting and / or receiving coils touch each other or overlap slightly in projection, so that the coils can touch each other in isolated turns and intersect in their projection. In this space-saving design, the advantages of the proximity switch according to the invention are retained.
  • the transmitting coil in deviation from claim 1, is arranged between two receiving coils, at least two receiving coils being present.
  • FIG. 1 shows the basic principle of the structure of a proximity switch according to the invention in plan view of a circuit board with a substantially circular surface-shaped transmitting coil, the winding of which is spiral, and with two surrounding, hollow cylindrical receiving coil and a peripherally extending around the receiving coils closed short circuit trace .
  • FIG. 1a is a view similar to Figure 1 of the coils, wherein between the inner and the outer receiving coil another, dashed line receiving coil is shown to indicate a plurality of other possible receiving coils,
  • FIG. 2 shows a further illustration of a coil arrangement in which the annular transmission coil is arranged peripherally on the outside and enclosed by the reception coils,
  • FIG. 3 shows a further illustration of a coil arrangement, wherein the turns of the coils for symbolic representation of virtually any possible design are polygonal and square,
  • FIG. 4 shows a cross section through a coil arrangement according to FIG. 1 within a housing of the proximity switch, which is arranged flush in a machine part,
  • FIG. 5 shows the course of the generated by the transmitting coil of Figures 1 and 4
  • FIG. 5 shows the course of the magnetic field H generated by the transmitting coil of FIGS. 1 and 4;
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a further proximity switch, which has coil assemblies of the same construction in two superposed planes, which are contacted and energized in the same direction to increase the number of turns of the individual coils;
  • Figure 8 shows another circuit example of an evaluation circuit for evaluating the signals from the receiving coils
  • FIG. 9 shows an alternative circuit example of a further evaluation circuit.
  • the transmitting coil S is preferably a flat coil with the radius rs and the circular coil surface Fs and with substantially helically wound turns (not shown) and the coil ends 1, 1 '.
  • the annular receiving coil E1 has substantially helically or circular wound turns, preferably in the form of a printed flat coil with the coil ends 2, 2 ';
  • the annular receiving coil E2 has substantially spirally to circular wound turns preferably in the form of a printed flat coil with the coil ends 3, 3 '.
  • the receiving coils E1 and E2 are arranged approximately concentrically around the transmitting coil S in a plane.
  • the radius r E i of the receiving coil E1 is greater than the maximum radius rs of the transmitting coil S; the radius ⁇ E2 of the receiving coil E2 is greater than the radius ⁇ EI of the receiving coil E1, so that the receiving coils are arranged approximately concentrically around the transmitting coil and the relationship applies: r s ⁇ r E i ⁇ E2-
  • the projections of the coils thus do not overlap ,
  • Each coil can also consist of only a single turn, which is also the shape of an open one Rings may have.
  • the spanned by the second receiving coil coil surface thus covers, seen in projection, the spool areas spanned by the first receiving coil and the spool of the transmitting coil completely.
  • the coil surface spanned by the first receiver coil completely covers the coil surface spanned by the transmitter coil in projection.
  • the requirement that the projections of the coils do not overlap means in other words that the coils do not touch or intersect in vertical projection, as can be seen for example from FIG. 1, but, as shown in FIG Example concentric and are spaced apart.
  • a slight overlap or a slight crossing or touching of the coils, with respect to the vertical projection is possible and permissible; while the advantages of the proximity switch remain largely intact.
  • the coil surfaces overlap, since, for example, according to FIG. 1, the coil surface of the inner receiver coil is arranged within the coil surface of the outer receiver coil and the coil surface of the transmitter coil is located therein.
  • the coil surface of each coil with the exception of the outermost coil, therefore lies completely within the coil surfaces of all coils located further out.
  • the arrangement of transmitting coil and receiving coils is interchangeable, so that a transmitting coil SA on a board P is peripherally outside and an annular coil with the coil ends 6, 6 'has.
  • the two likewise annular receiving coils 7, 8 with the coil ends 9, 9 'and 10, 10' are concentrically enclosed by the transmitting coil S A.
  • the shape and arrangement of the coils need not be concentric, but can be designed largely arbitrary; the shape may also be elliptical or polygonal, for example.
  • 3 shows an illustration of a coil arrangement on a square board P, wherein the turns of all the coils 11, 12, 13 are polygonal in shape and square, for example; 14 denotes a closed, peripherally arranged conductor track.
  • the decisive factor is that the surface enclosed by the outermost coil covers, preferably completely, the coil surfaces of the further coils that follow inwards, and thus the coil of the outermost coil completely surrounds the coil of the further coils adjacent to the inside, wherein the innermost one Receiving coil fully encloses the coil Fs of the transmitting coil 11: Fn (s> ⁇ Fi 2 ⁇ Fi 3.
  • Fn s> ⁇ Fi 2 ⁇ Fi 3.
  • Figures 1 and 2 thus show the basic structure of a printed circuit board coil system according to the invention using the example of a cylindrical proximity switch with cylindrically symmetrical structure preferably with a metallic sleeve (not shown).
  • the cylindrically symmetrical arrangement with concentric conductor structures can be replaced by an arrangement with, for example, fourfold symmetry for designing a sensor with a square front surface according to FIG. 3.
  • Central component is at least three, applied to a printed circuit board P conductor structures, which are operated as transmitting or receiving coils.
  • the coils in Figures 1, 1a and 2 are arranged concentrically to each other, preferably designed spirally and are in a plane.
  • the transmitting coil S is preferably a helically applied coil having a multiplicity of turns with the outer radius rs and any inner radius.
  • the receiving coils E1 and E2 each consist of at least one turn, optionally also of several, in the radial direction closely adjacent turns, with the mean radius ⁇ EI or Te 2 - Due to the planar arrangement of the
  • Coils occur, preferably, no spatial overlap of the projections of the
  • At least one concentrically arranged, continuous and annularly closed conductor track LB is provided, which either peripherally surrounds all the coils or is disposed within the innermost coil or is located between two adjacent coils, as shown in some of the figures.
  • Figure 4 shows schematically a cross section through a coil assembly according to the figure 1 within a housing 16 of a proximity switch, which is arranged flush in a machine part 17; Above the proximity switch and the machine part 17 there is a metallic target T, which is able to trigger a reaction or a response when approaching the switching distance of the proximity switch.
  • the oscillation of the oscillator depends on the position of the target. Basically, two operating modes of the proximity switch are possible. Either the oscillator oscillates in the absence of target T due to a small induced alternating field in the receiving coil. By approaching the target will be reached when the Sensing distance of this field disturbed or reduced so that the oscillation of the oscillator stops. Or the oscillation of the oscillator starts only when reaching the switching distance through the target.
  • the operating mode depends on the selected oscillator circuit.
  • FIG. 5 shows the course of the magnetic alternating field H generated by the transmitting coil S of FIGS. 1 and 4 and the penetration of the surfaces of the receiving coils E1 and E2 through the alternating field H. It can be seen that the alternating field H of the transmitting coil S, which has a large width, only slightly beyond the closed, peripherally arranged trace LB out and is constricted by the short-circuited conductor, so that due to this conductor LB and their placement more or less peripheral on the board P a targeted modeling of the alternating magnetic field can be achieved.
  • the closed interconnect LB which represents a short circuit, it is further achieved that different voltages are induced in the receiver coils not only because of their different radii, but also additionally due to the field modeling by the interconnect LB.
  • at least one annular closed-loop conveyor belt can be present between each two adjacent coils.
  • FIG. 6 shows a schematic cross-section through a further proximity switch, which has coil arrangements of the same design in two superposed planes, which are contacted with each other for increasing the number of turns of the individual coils.
  • the transmitting coil consists of the two parts S and S 1 , which are connected in such a way that the alternating magnetic fields of the partial coils S and S 1 increase.
  • the receiving coils are constructed of two parts E1 and E1 1 and E2 and E2 1 , wherein the respective partial coils preferably have the same number of turns.
  • the coil assemblies or conductor structures or partial coils may be offset in the axial direction and be reproduced one or more times, for Example in intermediate layers of a multi-layer printed circuit board, and are connected together so that the coils are connected in the same direction in series.
  • the transmitting coil and the receiving coil can preferably be close to each other without touching each other.
  • the coils can also touch isolated turns or overlap slightly when viewed in a vertical projection.
  • the differential voltage can be formed in the simplest way by antiserial interconnection of the receiver coils. However, it is also conceivable to detect and evaluate both received voltages separately from each other or to link them together in a linear or non-linear network and to evaluate the resulting output signal.
  • suitable choice of the radii r ⁇ i and ⁇ E2 of the receiving coils is thus achieved that at installation attenuation, the receiving voltages UEI and UE2 in the receiving coils E1 and E2 change by the same amount ⁇ u and thus be converted into a "common-lvlode" signal.
  • this effect can thus be eliminated.
  • the receiving voltages UEI and UEI change by different amounts ⁇ UEI and ⁇ UE2, respectively, and furthermore, both the individual voltages and any difference are clearly different from zero.
  • 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.
  • FIG. 7 shows a circuit example of an evaluation circuit in which the transmission coil S, which is acted on by an oscillator generator Gen, is connected in series with a sensor resistance R.
  • the voltage UR dropping across the resistor R and the voltages UEI and UE2 induced in the receiver coils E1 and E2 are supplied to the network NW, amplified and linked together there.
  • FIG. 8 shows the circuit diagram of a further evaluation circuit.
  • FIG. 9 shows an alternative circuit example of a further evaluation circuit without feedback.
  • 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 E i, fe of the receiving coils E1, E2 behaves as 3.75 mm -r s : 4,7mm-rEi: 6,7mm-rE2 ⁇ 25% tolerance.
  • the radius ( ⁇ L B) of the trace (LB) at the radii (r E i, rE2) of the receiving coils (E1.E2) is 3.75mm (rs): 4, 7mm (r E i): 6.7mm (r E 2) ⁇ 25% tolerance, 7.1mm.
  • the object of the invention is particularly suitable for the construction of ferrite proximity switches, which are in particular ferrite, but may also have a ferrite for special applications.

Abstract

The invention relates to an inductive proximity switch, preferably ferriteless, comprising at least one transmission coil (S), an oscillator circuit, at least two reception coils (E1, E2, Ei, En) located in the magnetic alternating field of the transmission coil, wherein the transmission and reception coils are adjacently placed on a board, and an evaluation circuit connected to said transmission and reception coils for evaluating the receiving signal of the reception coil when a target approaches the proximity switch. The reception coils and the transmission coil consist of at least one polygonally, annularly or elliptically-shaped winding and delimit the correspondingly shaped coil surface, respectively, wherein the transmission coil is surrounded by the first reception coil (E1), which is surrounded by the second reception coil (E2), which is in turn optionally surrounded by the third or n-th peripheral reception coil (Ei,En) or the reception coils are surrounded by the transmission coil in such a way that the coil surface delimited by the respective external coil covers all coil surfaces delimited by the other coils which are arranged more inwardly and the transmission coil is remote from the nearest adjacent reception coil without the transmission and/or reception coil overlapping.

Description

Induktiver Näherunαsschalter basierend auf dem transformatorischen Kopplungsfaktor-Prinzip Inductive proximity switch based on the transformer coupling factor principle
Technisches Gebiet: 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.TECHNICAL FIELD The invention relates to an inductive proximity switch based on the transformer coupling factor principle, comprising at least one transmitting coil, an oscillator circuit and at least two receiving coils arranged in the alternating magnetic field of the transmitting coil, the transmitting coil and the receiving coil being arranged adjacent to one another on a printed circuit board, and one The receiving coil connected evaluation circuit, which generates a switching signal when approaching a target to the proximity switch from the evaluation of the received signals of the receiving coils, 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 switches are sensors which are non-contact on approach of a metallic or non-metallic object, 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 Wirbelstrom- Verluste, 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 the heart of such a sensor is a current-carrying coil that generates a magnetic alternating field. The alternating current is generated by an oscillator. If a metallic object, trigger or target, enters this magnetic field, the eddy current losses caused by the target are created, the resonant circuit is damped, whereby the oscillation amplitude changes. This change can, electrically amplified, as a measure, for. B. be used for the distance of the target from the coil. Due to a hysteresis effect, the measured variable when moving the target in the direction of the proximity switch differs from that when moving in the opposite direction. This design has disadvantages in principle, namely it requires a usually complex construction, a ferrite and a coil winding and high tolerance requirements for increased switching distances. Likewise, a lack of weld strength is given because the saturation of the 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 used in recent inductive proximity switches instead of a coil, a transformer with primary coil and secondary coil, which are inductively coupled. The size of the coupling between the primary and secondary circuits is referred to as the coupling factor, which can usually be set between 0 (no coupling) and 1 (perfect coupling), where the coupling factor K determines the magnitude of the mutual inductance M of the circuit. A target placed in the switching range of the proximity switch alters the coupling. The coupling evaluation avoids the disadvantages described above; However, it has the disadvantage that it is not easy to realize because of the lower signal level in the prior art in turn so far.
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 unterschied- liehen 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 1 gewünscht, was bedeutet, dass alle Metalle den gleichen oder ungefähr gleichen Schaltabstand aufweisen. Das ist am besten mit induktiven Näherungsschaltern nach dem transformatorischen Kopplungsprinzip zu erreichen. Oder es wird gewünscht, dass der Näherungsschalter bei unterschiedlichem Reduktionsfaktor unterscheiden kann, aus welchem Metall das auslösende Target besteht. Durch die EP 0 479 078 A2 ist ein induktiver Näherungsschalter mit einem Oszillator bekannt geworden, der eine Sendespule speist, welche mit oder ohne Ferrit aufgebaut sein kann und die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, wobei der Oszillator durch einen in das Wechselfeld eindringenden metallischen Auslöser in seinem Schwingungszustand beeinflusst wird, sowie mit einer Auswerteschaltung zur Gewinnung eines Schaltsignals aus der Änderung des Schwingungszustandes. Im Wechselfeld der Sendespule sind zwei Sensorspulen als Sekundärspulen in unmittelbarer Differenzschaltung zur Erfassung der Differenz der in den beiden Sensorspulen induzierten Gegeninduktionsspannungen angeordnet, wobei die Sensorspulen durch ihre räumliche Lage zueinander und durch die jeweiligen Windungszahlen derart ausgebildet sind, dass die Differenzwechselspannung beim gewünschten Ansprechabstand zu Null wird. Da die beiden Sekundärspulen in einem gegensinnigen Wicklungssinn angeordnet sind, addieren sich dann die beiden induzierten Gegeninduktionsspannungen zu Null, so dass an den Klemmen der Empfangsspulen die Spannung Null oder nahezu Null anliegt. Die Differenzwechselspannung wird an den Eingang des Oszillatorverstärkers des Oszillators derart zurückgeführt, dass bei einer Differenzwechselspannung Null der Oszillator seinen Schwingungszustand sprunghaft ändert. Die beiden Sekundärspulen liegen mit ihren Ringebenen in einer Ebene, wobei die Sekundärspulen die Sendespule dergestalt mittig zwischen sich einfassen, dass die Sensorspulen einen gleichen Abstand von der Sendespule haben. Oder die Sendespule und die beiden Sensorspulen sind koaxial in unterschiedlichen Ebenen zueinander angeordnet, wobei die Sendespule zwischen den beiden Sensorspulen angeordnet ist. Diese Anordnung ist kritisch betreffend mechanische Deformationen, die beim Gebrauch oder bei einer Erwärmung des Näherungsschalters auftreten können. Das wiederum kann Fehlschaltungen zur Folge haben wie auch eine Änderung des Schaltabstandes auftreten kann. Die antiserielle Zusammenschaltung der beiden Sekundärspulen ist mit dem Nachteil verbunden, dass die Differenzspannung einer erheblichen Temperaturabhängigkeit unterliegt. Des Weiteren ist durch die DE 103 18 350 B3 ein ferritloser induktiver Näherungsschalter bekannt geworden, mit einer Sendespule und einer in deren magnetischem Wechselfeld derart angeordneten Empfangsspule, dass der vom magnetischen Wechselfeld in der Empfangsspule eingeprägte magnetische Fluss in der Schalt- oder Ruhestellung des Näherungsschalters Null oder nahe Null ist, wobei die Spulen benachbart versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die aus der Spulenfläche der Sendespule austretenden Feldlinien, die die Spulenfläche der Empfangsspule in einer Richtung durchdringen, die Spulenfläche der Empfangsspule auch in Gegenrichtung durchdringen. Die Empfangsspule weist eine ringförmige Spulenfläche auf, wobei die Sendespule eine kreisförmige Spulenfläche besitzt, deren Peripherie von der Empfangsspule ringsum überlappt wird. Zumindest eine Spule ist von einer spiralförmigen Leiterbahn einer Leiterplatte gebildet. Die Spulenfläche der Empfangsspule ist so gegenüber dem magnetischen Wechselfeld angeordnet, dass die Feldlinien, die aus der Spulenfläche entstammen und durch die Spulenfläche der Empfangsspule hindurchgehen, durch die Spulenfläche der Empfangsspule auch wieder zurücktreten. Dies hat zur Folge, dass der in der Empfangsspule erzeugte magnetische Fluss, also das Flächenintegral über das magnetische Wechselfeld, dort gleich Null oder nahe Null ist, wodurch die in der Empfangsspule induzierte Spannung gleich Null oder sehr gering ist, wenn ansonsten keine weiteren Wechselfelder vorhanden sind. Des Weiteren bedeutet eine Überlappung von Sendespule und Empfangsspule das Vorhandensein von Kreuzungspunkten der Spulenwicklungen, so dass ein derartiger Spulenaufbau ohne Aufbau in Multilayertechnik nicht auf ein und dieselbe Seite einer Platine aufgebracht werden kann. Oder es muss die eine Spule auf die Oberseite und die andere Spule auf die Unterseite einer Platine aufgebracht werden, was ebenfalls eine relativ teure Herstellung zur Folge hat, aber auch den Anwendungsbereich einschränkt.It is desirable in inductive proximity switches that the switching distance of a proximity switch, in which he responds to the approach of a target, is not critical to external electrical noise and in particular insensitive to its installation in a machine part and its installation conditions. Likewise, the switching distance should remain constant at different operating temperatures. To assess the switching distance of a proximity switch is the reduction factor, which is set to 1, based on iron. Other metals have a smaller reduction factor, which means that the switching distance at which the proximity switch switches is shorter than with iron. In today's proximity switches, a constant reduction factor of 1 is desired, meaning that all metals have the same or approximately the same switching distance. This is best achieved with inductive proximity switches according to the transformer coupling principle. Or it is desired that the proximity switch can distinguish, with different reduction factor, which metal is the triggering target. From EP 0 479 078 A2 an inductive proximity switch with an oscillator is known, which feeds a transmitting coil, which can be constructed with or without ferrite and generates an alternating magnetic field, wherein the oscillator by a penetrating into the alternating field metallic shutter in his Vibration state is affected, as well as with an evaluation circuit for obtaining a switching signal from the change of the vibration state. In the alternating field of the transmitting coil two sensor coils are arranged as secondary coils in the direct differential circuit for detecting the difference of induced in the two sensor coils mutual induction voltages, the sensor coils are formed by their spatial position to each other and by the respective numbers of turns such that the differential AC voltage at the desired response distance to zero becomes. Since the two secondary coils are arranged in an opposite sense of winding, then the two induced mutual induction voltages add up to zero, so that the voltage zero or almost zero is applied to the terminals of the receiver coils. The difference AC voltage is fed back to the input of the oscillator amplifier of the oscillator such that at a differential AC voltage zero of the oscillator changes its vibrational state abruptly. The two secondary coils lie with their ring levels in a plane, wherein the secondary coils surround the transmitting coil in the middle between them so that the sensor coils have an equal distance from the transmitting coil. Or the transmitting coil and the two sensor coils are arranged coaxially in different planes to each other, wherein the transmitting coil is arranged between the two sensor coils. This arrangement is critical to mechanical deformations that may occur during use or when the proximity switch is heated. This in turn can result in faulty circuits as well as a change in the switching distance can occur. The antiserial interconnection of the two secondary coils is associated with the disadvantage that the differential voltage is subject to considerable temperature dependence. Furthermore, DE 103 18 350 B3 discloses a ferrite-free inductive proximity switch with a transmitting coil and a receiving coil arranged in its magnetic alternating field such that the magnetic flux impressed by the alternating magnetic field in the receiving coil is zero in the switching or rest position of the proximity switch or is close to zero, wherein the coils are arranged offset adjacent to each other, so that the emerging from the coil surface of the transmitting coil field lines that penetrate the coil surface of the receiving coil in one direction, the coil surface of the receiving coil also penetrate in the opposite direction. The receiving coil has an annular coil surface, wherein the transmitting coil has a circular coil surface, the periphery of which is overlapped by the receiving coil all around. At least one coil is formed by a spiral conductor track of a printed circuit board. The coil surface of the receiver coil is arranged opposite to the alternating magnetic field such that the field lines, which originate from the coil surface and pass through the coil surface of the receiver coil, also recede through the coil surface of the receiver coil. As a result, the magnetic flux generated in the receiving coil, ie the surface integral via the alternating magnetic field, is zero or close to zero there, whereby the voltage induced in the receiving coil is equal to zero or very low, if no other alternating fields are present are. Furthermore, an overlap of transmitting coil and receiving coil means the presence of crossing points of the coil windings, so that such a coil structure without multilayer construction can not be applied to one and the same side of a circuit board. Or it may be the one coil on the top and the other coil are applied to the underside of a board, which also has a relatively expensive production result, but also limits the scope.
Durch die DE 19850749C1 ist ein induktiv arbeitender, auf die Annäherung von Metallteilen ansprechender Sensor bekannt geworden, mit einem axial ausgerichteten Spulensystem, das innerhalb eines Gehäuses eingebaut ist, mit mindestens drei miteinander elektromagnetisch oder magnetisch gekoppelten Spulen, wobei die zweite und die dritte Spule als Detektorspule so in Serie geschaltet sind, dass sich die Differenzspannung der in beiden Spulen anliegenden Einzelspannungen ergibt, und mit einer an einen Hochfrequenz- Generator angeschlossenen ersten Spule als Generatorspule. Das an der Detektorspule und an der Generatorspule anliegende Signal wird einem Mischer zugeführt, der ein Vier-Quadranten- Mischer ist, wobei an den Mischer ein Integrator angeschlossen ist. Die erste Spule ist als Detektorspule und die zweite und dritte Spule als Generatorspule geschaltet, wobei die Felder der zweiten und dritten Spule zueinander entgegengerichtet sind. Die erste Spule ist zwischen der zweiten und der dritten Spule angeordnet. Aus diesem Stand der Technik ist es bekannt, das Spulensystem aus zwei gleichartig ausgeführten Leiterplatten aufzubauen, wobei auf jeder einzelnen Leiterplatte eine Generatorspule und eine Detektorspule aufgebracht sind. Die Generatorspulen sind entweder im Zentrum der Detektorspulen angeordnet oder die Detektorspulen sind zentral angeordnet. Die Spulen auf den beiden Leiterplatten sind so miteinander verbunden, dass durch Umklappen der Leiterplatten in die Ebene hinein oder aus der Ebene heraus bis zur Parallellage die miteinander in Serie geschalteten Spulen einen gleich- oder entgegen gesetzten Wicklungssinn erhalten.By DE 19850749 C1 an inductively working, responsive to the approach of metal parts sensor is known, with an axially oriented coil system which is installed within a housing, with at least three mutually electromagnetically or magnetically coupled coils the second and the third coil are connected as a detector coil in series, that results in the difference voltage of the voltage applied in both coils individual voltages, and with a high frequency generator connected to a first coil as a generator coil. The signal applied to the detector coil and to the generator coil is fed to a mixer which is a four-quadrant mixer with an integrator connected to the mixer. The first coil is connected as a detector coil and the second and third coil as a generator coil, wherein the fields of the second and third coil are opposite to each other. The first coil is disposed between the second and third coils. From this prior art, it is known to construct the coil system of two identically designed circuit boards, wherein on each individual circuit board, a generator coil and a detector coil are applied. The generator coils are either arranged in the center of the detector coils or the detector coils are arranged centrally. The coils on the two circuit boards are connected to one another in such a way that by folding the printed circuit boards into the plane or out of the plane to the parallel position, the coils connected in series receive an identical or opposite winding sense.
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 weitest- gehend 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.The invention has for its object to provide a, preferably ferrite, inductive proximity switch, based on the transformer coupling factor principle, of the aforementioned type, which has a largely material-independent response or a reduction factor 1 or near 1 and against external DC and AC fields is largely resistant by the possibility of waiving ferritic materials is feasible.
Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile: 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 Empfangs- spule 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.DISCLOSURE OF THE INVENTION AND ITS ADVANTAGES: 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 surround a circular or annular or polygonal or elliptical coil surface, wherein either the transmitting coil is peripherally surrounded by the first receiving coil 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 is peripherally surrounded by the transmitting coil, 2nd 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, and 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, the second receiving coil may be surrounded by a third and possibly one or more peripheral receiving coils, wherein in the second alternative of claim 1, the outer receiving coil is peripherally surrounded 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 Sende- spule 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.Thus, either the transmitting coil is surrounded by a first receiving coil, and this is in turn surrounded by the second receiving coil and optionally this from a third or n-th peripheral receiving coil, or a first receiving coil is from a second receiving coil and, if appropriate, this of a third or N th receiving coil surrounded, wherein the n-th receiving coil is peripherally surrounded by the transmitting coil, so that in both alternatives of claim 1, both the spanned by the respective outer coil surface coil area completely covers all coil surfaces of the other inner coils as well as in vertical Parallel projection on the coils, the transmitting coil or any other coil is spaced from the next adjacent receiving coil, without the vertical projections of transmitting and / or receiving coils overlap or intersect. Under "coil surface" is understood the spanned by the respective coil in a vertical projection surface.
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 Schweiss- festigkeit 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.The inductive proximity switch according to the invention has significant advantages over the prior art. The proximity switch has a largely material-independent response or a reduction factor of 1 or close to 1, which is resistant or almost resistant to external DC and AC fields by largely dispensing with ferritic materials, and thus in a non-ferrite application high welding strength having. Furthermore, the proximity switch according to the invention implements high switching distances, as well as its use complex, mechanically complex and costly multi-coil systems with conventional winding technology can be avoided with the problems of poor stability and reproducibility through the use of inexpensive circuit board coil system. In particular, can be dispensed with for the production of the proximity switch on multilayer printed circuit boards, although these can of course be used for special solutions. In addition, the proximity switch according to the invention makes it possible to obtain 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 planare 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.Furthermore, with the proximity switch according to the invention, it is possible to realize print coil arrangements with high temperature stability and reproducibility. The reason is that in the proximity switch according to the invention a planar arrangement of all conductor structures is present and no or only slight overlaps in perpendicular projection of the coils are present on each other. Transmitter and receiver coils preferably do not overlap, as well as the receiver coils preferably do not overlap. The inventive arrangement of transmitting and receiving coils to each other with no or only slight overlap causes the magnetic fluxes, which are generated by the transmitting coil in the receiving coil, not to zero or close to zero, but always clearly from zero are different and thus provide evaluable induction voltages. The flux, integral across the receiving coil surfaces, is always distinctly different from zero. This also gives a smaller CTE of the PCB in the plane as well as an independence of layer distances.
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.Furthermore, the coil geometries of the coils are not limited to a circular or annular shape, but it can as far as possible all forms, such as a polygonal or annular or elliptical guided or shaped coil 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 a further embodiment of the proximity switch according to the invention, the outermost coil, receiver coil or transmitter coil, is surrounded by a peripherally arranged closed conductor track, wherein a closed conductor track can additionally be located between adjacent receiver coils. Instead or in addition, at least one closed conductor track can be located between adjacent receiver coils. As a result, the proximity switch according to the invention in particular opens up the possibility of distinguishing installation and target influence, with which a decisive improvement in the flush installation capability of the proximity switch is connected; this is largely insensitive to its installation in a machine part and its installation conditions.
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, so that, for example, linear combination or ratio formations of the two signals or of a plurality of 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, the turns of transmitting coil and receiving coils are in principle spiral arranged in a planar plane. In this way, printed coils can be easily produced.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters ist die Sendespule kreisförmig, das heißt über eine Kreisfläche verteilt; die Empfangs- spulen 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 Parallel- projektion auf die Spulen diese voneinander beabstandet sind oder sich auch berühren können.In a further embodiment of the proximity switch according to the invention the transmitting coil is circular, that is distributed over a circular area; the receiving coils are annular, peripherally surrounding the transmitting coil. Or the inner first receiving coil is circular, that is distributed over a circular area or annular, and the other, the first receiving coil surrounding receiving coils including the outer transmitting coil are each annular coils, in both alternatives in perpendicular parallel projection on the coils these spaced apart are or can touch each other.
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.For example, if the coil surface and coils of the coils are polygonal or elliptical, then the coils thus formed are in the form of hollow polyhedra or hollow ellipsoids, or the turns of the coils span polyhedrons or ellipsoids of the thickness of the coil.
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 durchflössen 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 durchflössen sind.In a further embodiment of the proximity switch according to the invention is under a coil arrangement in a vertical parallel projection on the same in a further plane at least one more identical coil arrangement, whereby the coils of the coil assembly are divided into interconnected partial coils to different levels, which respective sub-coils arranged congruently one above the other and in the same direction in series, namely in series, as well as in the same direction are flowed through by the current. Or only the transmitting coil is in sub-coils, which are preferably connected in series, divided, which are preferably arranged congruently one above the other in two superimposed planes and flowed through in the same direction from the stream.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters sind die in den Empfangsspulen aufgrund der magnetischen Flussänderungen entste- henden Spannungssignale in der Auswerteschaltung nach dem Differenzprinzip auswertbar.In a further embodiment of the proximity switch according to the invention, the in the receiving coils due to the magnetic flux changes are generated These voltage signals can be evaluated in the evaluation circuit according to the difference principle.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungsschalters weist derselbe einen zylindrischen Aufbau mit einer metallischen Hülse sowie konzen- trische 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 a further embodiment of the proximity switch according to the invention, the same has a cylindrical construction with a metallic sleeve and concentric conductor structures of its coils. In an embodiment of the proximity switch according to the invention, the conductor structures, in particular those of the receiver coils, can be open rings. Furthermore, at least one of the coils, namely transmitting coil and / or receiving coils, may be formed by a spiral-shaped conductor track 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.Normally, the proximity switch according to the invention is constructed without ferrite, whereby it has a high welding strength. In special applications, however, an inventive proximity switch can be used with a ferrite, wherein the ferrite, for example, as a disc, preferably with a small thickness, below the transmitting coil, in particular in a recess of the board, is arranged on or in the board. Thus, a suitable and adapted field modeling can 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 a further embodiment of the proximity switch according to the invention, the projections of transmitting and / or receiving coils can also overlap or intersect slightly, which u.U. can be favorable manufacturing technology. Likewise, slight overlaps of the projection of the coils can be accepted in the peripheral region of the coils in projection, without thereby diminishing the advantages of the proximity switch according to the invention.
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, the influence of the installation attenuation of the proximity switch according to the invention can be largely reduced, so that with a suitable combination of the receiving voltages of the receiver coils in an evaluation circuit, the resulting output signal is almost only affected by the target. This gives the possibility of distinguishing installation and target influence, which leads to a decisive improvement in the flush mounting capability of the proximity switch. In a further embodiment of the proximity switch according to the invention, in deviation from claim 1, the transmitting and / or receiving coils touch each other or overlap slightly in projection, so that the coils can touch each other in isolated turns and intersect in their projection. In this space-saving design, the advantages of the proximity switch according to the invention are retained.
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, is arranged between two receiving coils, at least two receiving coils being present.
Kurzbezeichnung der Zeichnung, in der zeigen:Short name of the drawing, in which show:
Fig. 1 das Grundprinzip des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters in Draufsicht auf eine Platine mit einer im Wesentlichen kreis- flächenförmigen Sendespule, wobei die Wicklung derselben spiralförmig ist, sowie mit zwei diese umgebenden, hohlzylinderförmigen Empfangsspulen sowie einer peripher um die Empfangsspulen verlaufenden geschlossenen Kurzschluss-Leiterbahn,1 shows the basic principle of the structure of a proximity switch according to the invention in plan view of a circuit board with a substantially circular surface-shaped transmitting coil, the winding of which is spiral, and with two surrounding, hollow cylindrical receiving coil and a peripherally extending around the receiving coils closed short circuit trace .
Fig. 1a eine der Figur 1 ähnliche Darstellung der Spulen, wobei zwischen der inneren und der äußeren Empfangsspule eine weitere, gestrichelt gezeichnete Empfangsspule dargestellt ist zur Andeutung einer Mehrzahl von weiteren möglichen Empfangsspulen,1a is a view similar to Figure 1 of the coils, wherein between the inner and the outer receiving coil another, dashed line receiving coil is shown to indicate a plurality of other possible receiving coils,
Figur 2 eine weitere Darstellung einer Spulenanordnung, bei welcher die ringförmige Sendespule peripher außen und von dieser eingeschlossen die Empfangsspulen angeordnet sind,FIG. 2 shows a further illustration of a coil arrangement in which the annular transmission coil is arranged peripherally on the outside and enclosed by the reception coils,
Figur 3 eine weitere Darstellung einer Spulenanordnung, wobei die Windungen der Spulen zur symbolischen Darstellung der praktisch beliebig möglichen Gestaltung polygonal geführt und quadratisch ausgebildet sind,3 shows a further illustration of a coil arrangement, wherein the turns of the coils for symbolic representation of virtually any possible design are polygonal and square,
Figur 4 einen Querschnitt durch eine Spulenanordnung gemäß der Figur 1 innerhalb eines Gehäuses des Näherungsschalters, welcher bündig in einem Maschinenteil angeordnet ist,FIG. 4 shows a cross section through a coil arrangement according to FIG. 1 within a housing of the proximity switch, which is arranged flush in a machine part,
Figur 5 den Verlauf des von der Sendespule der Figuren 1 und 4 erzeugten Figur 5 den Verlauf des von der Sendespule der Figuren 1 und 4 erzeugten magnetischen Feldes H,Figure 5 shows the course of the generated by the transmitting coil of Figures 1 and 4 FIG. 5 shows the course of the magnetic field H generated by the transmitting coil of FIGS. 1 and 4;
Figur 6 einen schematischen Querschnitt durch einen weiteren Näherungsschalter, welcher in zwei übereinander liegenden Ebenen gleich auf- gebaute Spulenanordnungen aufweist, welche kontaktiert sind und gleichsinnig bestromt werden zur Vergrößerung der Windungszahlen der einzelnen Spulen,FIG. 6 shows a schematic cross section through a further proximity switch, which has coil assemblies of the same construction in two superposed planes, which are contacted and energized in the same direction to increase the number of turns of the individual coils;
Figur 7 ein Schaltungsbeispiel einer Auswerteschaltung zur Auswertung der7 shows a circuit example of an evaluation circuit for evaluating the
Signale aus den Empfangsspulen, Figur 8 ein weiteres Schaltungsbeispiel einer Auswerteschaltung zur Auswertung der Signale aus den Empfangsspulen undSignals from the receiving coils, Figure 8 shows another circuit example of an evaluation circuit for evaluating the signals from the receiving coils and
Figur 9 ein alternatives Schaltungsbeispiel einer weiteren Auswerteschaltung.FIG. 9 shows an alternative circuit example of a further evaluation circuit.
Wege zur Ausführung der Erfindung: Die Figuren 1 und 1a zeigen den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Sendespule S und einer Mehrzahl von Empfangsspulen E1 und E2 auf einer kreisförmigen Platine P. Die Sendespule S ist vorzugsweise eine Flachspule mit dem Radius rs und der kreisförmigen Spulenfläche Fs und mit im Wesentlichen spiralförmig gewundenen Windungen (nicht dargestellt) sowie den Spulenenden 1 , 1'. Die ringförmige Empfangsspule E1 besitzt im Wesentlichen spiralförmig bzw. kreisförmig gewundenen Windungen vorzugsweise in Form einer gedruckten Flachspule mit den Spulenenden 2, 2'; ebenso besitzt die ringförmige Empfangsspule E2 im Wesentlichen spiralförmig bis kreisförmig gewundene Windungen vorzugsweise in Form einer gedruckten Flachspule mit den Spulenenden 3, 3'. Die Empfangsspulen E1 und E2 sind im gezeigten Beispiel in etwa konzentrisch um die Sendespule S herum in einer Ebene angeordnet. Der Radius rEi der Empfangsspule E1 ist größer als der maximale Radius rs der Sendespule S; der Radius ΓE2 der Empfangsspule E2 ist größer als der Radius ΓEI der Empfangsspule E1 , so dass die Empfangsspulen in etwa konzentrisch um die Sendespule angeordnet sind und die Beziehung gilt: rs < rEi < ΓE2- Die Projektionen der Spulen überlappen sich somit nicht. Jede Spule kann auch aus nur einer einzigen Windung bestehen, die auch die Form eines offenen Rings aufweisen kann. Die von der zweiten Empfangsspule aufgespannte Spulenfläche überdeckt somit, in Projektion gesehen, die von der ersten Empfangsspule und die von der Sendespule aufgespannten Spulenflächen vollständig. Ebenso überdeckt die von der ersten Empfangsspule aufgespannte Spulenfläche die von der Sendespule aufgespannte Spulenfläche in Projektion vollständig.1 and 1a show the basic structure of an inventive arrangement of a transmitting coil S and a plurality of receiving coils E1 and E2 on a circular board P. The transmitting coil S is preferably a flat coil with the radius rs and the circular coil surface Fs and with substantially helically wound turns (not shown) and the coil ends 1, 1 '. The annular receiving coil E1 has substantially helically or circular wound turns, preferably in the form of a printed flat coil with the coil ends 2, 2 '; Likewise, the annular receiving coil E2 has substantially spirally to circular wound turns preferably in the form of a printed flat coil with the coil ends 3, 3 '. In the example shown, the receiving coils E1 and E2 are arranged approximately concentrically around the transmitting coil S in a plane. The radius r E i of the receiving coil E1 is greater than the maximum radius rs of the transmitting coil S; the radius ΓE2 of the receiving coil E2 is greater than the radius ΓEI of the receiving coil E1, so that the receiving coils are arranged approximately concentrically around the transmitting coil and the relationship applies: r s <r E i <ΓE2- The projections of the coils thus do not overlap , Each coil can also consist of only a single turn, which is also the shape of an open one Rings may have. The spanned by the second receiving coil coil surface thus covers, seen in projection, the spool areas spanned by the first receiving coil and the spool of the transmitting coil completely. Likewise, the coil surface spanned by the first receiver coil completely covers the coil surface spanned by the transmitter coil in projection.
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 Figur 1 zu entnehmen ist, sondern, wie in Figur 1 gezeigt, zum Beispiel konzentrisch und dabei voneinander beabstandet sind. Allerdings ist eine geringfügige Überlappung oder ein geringfügiges Sichkreuzen oder Berühren der Spulen, bezogen auf die senkrechte Projektion, möglich und zulässig; dabei bleiben die Vorteile des Näherungsschalters weitestgehend erhalten. Die Spulenflächen hingegen über- läppen sich, da nämlich beispielsweise gemäß Figur 1 innerhalb der Spulenfläche der äußeren Empfangsspule die Spulenfläche der innere Empfangsspule angeordnet ist und darin sich die Spulenfläche der Sendespule befindet. Die Spulenfläche jeder Spule, mit Ausnahme der äußersten Spule, liegt daher vollständig innerhalb der Spulenflächen aller weiter außen gelegenen Spulen.The requirement that the projections of the coils do not overlap means in other words that the coils do not touch or intersect in vertical projection, as can be seen for example from FIG. 1, but, as shown in FIG Example concentric and are spaced apart. However, a slight overlap or a slight crossing or touching of the coils, with respect to the vertical projection, is possible and permissible; while the advantages of the proximity switch remain largely intact. The coil surfaces, on the other hand, overlap, since, for example, according to FIG. 1, the coil surface of the inner receiver coil is arranged within the coil surface of the outer receiver coil and the coil surface of the transmitter coil is located therein. The coil surface of each coil, with the exception of the outermost coil, therefore lies completely within the coil surfaces of all coils located further out.
Figur 1a zeigt eine der Figur 1 ähnliche Darstellung einer Spulenanordnung, bestehend aus der Platine P, auf der die Sendespule S mit den Spulenenden 1 , 1' angeordnet ist, wobei zwischen der ersten, der Sendespule S direkt benachbarten Empfangsspule E1 mit den Spulenenden 2, 2' und der äußersten Emp- fangsspule En mit den Spulenenden 5, 5' eine weitere, gestrichelt gezeichnete Empfangsspule Ei mit den Spulenenden 4, 4' dargestellt ist zur symbolischen Andeutung einer Mehrzahl von möglichen weiteren ähnlich gestalteten Empfangsspulen, nämlich von E1 bis En mit dem laufenden Index i (i=2,3,4,...,n), das heißt, es können n Empfangsspulen vorhanden sein, die die Sendespule S konzentrisch bzw. in etwa konzentrisch und zusammen mit derselben in einer Ebene liegend umgeben. Wie in Figur 2 in einer weiteren Spulenanordnung gezeigt, ist die Anordnung von Sendespule und Empfangsspulen vertauschbar, so dass sich eine Sendespule SA auf einer Platine P peripher außen befindet und eine ringförmige Spule mit den Spulenenden 6, 6' aufweist. Die beiden ebenfalls ringförmigen Empfangsspulen 7, 8 mit den Spulenenden 9, 9' bzw. 10, 10' sind konzentrisch von der Sendespule SA umschlossen.1a shows a representation similar to Figure 1 of a coil assembly consisting of the board P, on which the transmitting coil S with the coil ends 1, 1 'is arranged, wherein between the first, the transmitting coil S directly adjacent receiving coil E1 with the coil ends 2, 2 'and the outermost receiving coil En with the coil ends 5, 5' another, drawn dashed receiving coil egg with the coil ends 4, 4 'is shown for symbolic indication of a plurality of possible further similarly shaped receiving coils, namely from E1 to En with the current index i (i = 2, 3, 4,..., n), that is to say there may be n receiving coils which surround the transmitting coil S concentrically and approximately concentrically and lying in one plane with them. As shown in Figure 2 in a further coil arrangement, the arrangement of transmitting coil and receiving coils is interchangeable, so that a transmitting coil SA on a board P is peripherally outside and an annular coil with the coil ends 6, 6 'has. The two likewise annular receiving coils 7, 8 with the coil ends 9, 9 'and 10, 10' are concentrically enclosed by the transmitting coil S A.
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 Figur 3 eine Darstellung einer Spulenanordnung auf einer quadratischen Platine P zu entnehmen, wobei die Windungen sämtlicher Spulen 11 , 12, 13 polygonal geformt und zum Beispiel quadratisch ausgebildet sind; mit 14 ist eine geschlossene, peripher angeordnete Leiterbahn bezeichnet. Entscheidend ist nur, dass die von der äußersten Spule umschlos- sene Fläche die nach innen hin folgenden Spulenflächen der weiteren Spulen, vorzugsweise vollständig, überdeckt, und so die Spule der äußersten Spule die Spule der nach innen benachbarten weiteren Spulen vollständig umschließt, wobei die innerste Empfangsspule die Spule Fs der Sendespule 11 vollständig umschließt: Fn (s> < Fi2 < Fi3. Mit anderen Worten bedeutet das, dass die Fläche jeder Spule die Flächen aller weiter innen gelegenen Spulen vollständig überdeckt. Auch die Ausführung der Spulenanordnung gemäß der Figur 2, wenn die Sendespule die peripher verlaufende Spule ist und die Empfangsspulen umschließt, kann als Polygonzug gestaltet sein.The shape and arrangement of the coils need not be concentric, but can be designed largely arbitrary; the shape may also be elliptical or polygonal, for example. 3 shows an illustration of a coil arrangement on a square board P, wherein the turns of all the coils 11, 12, 13 are polygonal in shape and square, for example; 14 denotes a closed, peripherally arranged conductor track. The decisive factor is that the surface enclosed by the outermost coil covers, preferably completely, the coil surfaces of the further coils that follow inwards, and thus the coil of the outermost coil completely surrounds the coil of the further coils adjacent to the inside, wherein the innermost one Receiving coil fully encloses the coil Fs of the transmitting coil 11: Fn (s><Fi 2 <Fi 3. In other words, this means that the surface of each coil completely covers the surfaces of all coils located further inside 2, when the transmitting coil is the peripheral coil and encloses the receiving coils, may be designed as a polygon.
Die Figuren 1 und 2 zeigen somit den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Leiterplatten-Spulensystems am Beispiel eines zylindrischen Näherungsschalters mit zylindersymmetrischem Aufbau vorzugsweise mit metallischer Hülse (nicht dargestellt). Grundsätzlich kann die zylindersymmetrische Anordnung mit konzentrischen Leiterstrukturen durch eine Anordnung mit zum Beispiel vier- zähliger Symmetrie ersetzt sein zur Gestaltung eines Sensors mit quadratischer Frontfläche gemäß der Figur 3. Zentraler Bestandteil sind wenigstens drei, auf eine Leiterplatte P aufgebrachte Leiterstrukturen, die als Sende- bzw. Empfangsspulen betrieben werden. Die Spulen in den Figuren 1, 1a und 2 sind konzentrisch zueinander angeordnet, vorzugsweise spiralig gestaltet und befinden sich in einer Ebene. Bei der Sende- spule S handelt es sich vorzugsweise um eine spiralförmig aufgebrachte Spule mit einer Vielzahl von Windungen mit dem Aussenradius rs und beliebigem Innenradius.Figures 1 and 2 thus show the basic structure of a printed circuit board coil system according to the invention using the example of a cylindrical proximity switch with cylindrically symmetrical structure preferably with a metallic sleeve (not shown). In principle, the cylindrically symmetrical arrangement with concentric conductor structures can be replaced by an arrangement with, for example, fourfold symmetry for designing a sensor with a square front surface according to FIG. 3. Central component is at least three, applied to a printed circuit board P conductor structures, which are operated as transmitting or receiving coils. The coils in Figures 1, 1a and 2 are arranged concentrically to each other, preferably designed spirally and are in a plane. The transmitting coil S is preferably a helically applied coil having a multiplicity of turns with the outer radius rs and any inner radius.
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 ΓEI bzw. Te2- Bedingt durch die planare Anordnung derThe receiving coils E1 and E2 each consist of at least one turn, optionally also of several, in the radial direction closely adjacent turns, with the mean radius ΓEI or Te 2 - Due to the planar arrangement of the
Spulen erfolgt, vorzugsweise, keine räumliche Überlappung der Projektionen derCoils occur, preferably, no spatial overlap of the projections of the
Spulen. Eine Kontaktierung der Spulenenden kann beispielsweise mittelsDo the washing up. A contacting of the coil ends, for example by means of
Durchkontaktierungen und entsprechender Lötflächen auf der gegenüber liegenden Hauptoberfläche der Platine erfolgen.Through holes and corresponding pads on the opposite main surface of the board done.
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.Furthermore, optionally at least one concentrically arranged, continuous and annularly closed conductor track LB is provided, which either peripherally surrounds all the coils or is disposed within the innermost coil or is located between two adjacent coils, as shown in some of the figures.
Figur 4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Spulenanordnung gemäß der Figur 1 innerhalb eines Gehäuses 16 eines Näherungsschalters, welcher bündig in einem Maschinenteil 17 angeordnet ist; oberhalb des Näherungsschalters sowie des Maschinenteils 17 befindet sich ein metallisches Target T, welches bei seiner Annäherung in den Schaltabstand des Näherungsschalters eine Reaktion bzw. ein Ansprechen auszulösen imstande ist. Dabei hängt die Schwingung des Oszillators von der Lage des Targets ab. Grundsätzlich sind zwei Betriebsarten des Näherungsschalters möglich. Entweder schwingt der Oszillator bei nicht vorhandenem Target T aufgrund eines geringen induzierten Wechselfeldes in der Empfangsspule. Durch Annähern des Targets wird bei Erreichen des Schaltabstandes dieses Feld derart gestört bzw. verringert, dass die Schwingung des Oszillators abreißt. Oder die Schwingung des Oszillators setzt erst bei Erreichen des Schaltabstandes durch das Target ein. Die Betriebsart hängt von der gewählten Oszillatorschaltung ab.Figure 4 shows schematically a cross section through a coil assembly according to the figure 1 within a housing 16 of a proximity switch, which is arranged flush in a machine part 17; Above the proximity switch and the machine part 17 there is a metallic target T, which is able to trigger a reaction or a response when approaching the switching distance of the proximity switch. The oscillation of the oscillator depends on the position of the target. Basically, two operating modes of the proximity switch are possible. Either the oscillator oscillates in the absence of target T due to a small induced alternating field in the receiving coil. By approaching the target will be reached when the Sensing distance of this field disturbed or reduced so that the oscillation of the oscillator stops. Or the oscillation of the oscillator starts only when reaching the switching distance through the target. The operating mode depends on the selected oscillator circuit.
In Figur 5 ist der Verlauf des von der Sendespule S der Figuren 1 und 4 erzeugten magnetischen Wechselfeldes H und die Durchdringung der Flächen der Empfangsspulen E1 und E2 durch das Wechselfeld H gezeigt. Dabei ist ersichtlich, dass das Wechselfeld H der Sendespule S, welche eine große Breite aufweist, sich nur unwesentlich über die geschlossene, peripher angeordnete Leiterbahn LB hinaus ausbreitet und durch die kurzgeschlossene Leiterbahn eingeschnürt wird, so dass aufgrund dieser Leiterbahn LB und deren Platzierung mehr oder weniger peripher auf der Platine P eine gezielte Modellierung des magnetischen Wechselfeldes erreicht werden kann. Durch die geschlossene Leiterbahn LB, welche einen Kurzschluss darstellt, wird des Weiteren erreicht, dass in den Empfangsspulen nicht nur aufgrund ihrer unterschiedlichen Radien, sondern noch zusätzlich verstärkt aufgrund der Feldmodellierung durch die Leiterbahn LB unterschiedliche Spannungen induziert werden. Prinzipiell kann zwischen je zwei benachbarten Spulen wenigstens eine ringförmig geschlossene Leisterbahn vorhanden sein.FIG. 5 shows the course of the magnetic alternating field H generated by the transmitting coil S of FIGS. 1 and 4 and the penetration of the surfaces of the receiving coils E1 and E2 through the alternating field H. It can be seen that the alternating field H of the transmitting coil S, which has a large width, only slightly beyond the closed, peripherally arranged trace LB out and is constricted by the short-circuited conductor, so that due to this conductor LB and their placement more or less peripheral on the board P a targeted modeling of the alternating magnetic field can be achieved. Due to the closed interconnect LB, which represents a short circuit, it is further achieved that different voltages are induced in the receiver coils not only because of their different radii, but also additionally due to the field modeling by the interconnect LB. In principle, between each two adjacent coils, at least one annular closed-loop conveyor belt can be present.
Figur 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen weiteren Näherungsschalter, der in zwei übereinander liegenden Ebenen gleich aufgebaute Spulenanordnungen aufweist, die miteinander kontaktiert sind zur Vergrößerung der Windungszahlen der einzelnen Spulen. Die Sendespule besteht aus den beiden Teilen S und S1, welche beiden Teile dergestalt geschaltet sind, dass sich die magnetischen Wechselfelder der Teilspulen S und S1 verstärken. Gleichermaßen sind die Empfangsspulen aus zwei Teilen E1 und E11 bzw. E2 und E21 aufgebaut, wobei die jeweiligen Teilspulen vorzugsweise gleiche Windungszahlen aufweisen. Somit können die Spulenanordnungen bzw. Leiterstrukturen bzw. Teilspulen in axialer Richtung versetzt sein und ein oder mehrmals reproduziert werden, zum Beispiel in Zwischenlayern einer Multi-Layer-Leiterplatte, und sind so zusammen geschaltet, dass die Spulen gleichsinnig hintereinander geschaltet werden.FIG. 6 shows a schematic cross-section through a further proximity switch, which has coil arrangements of the same design in two superposed planes, which are contacted with each other for increasing the number of turns of the individual coils. The transmitting coil consists of the two parts S and S 1 , which are connected in such a way that the alternating magnetic fields of the partial coils S and S 1 increase. Similarly, the receiving coils are constructed of two parts E1 and E1 1 and E2 and E2 1 , wherein the respective partial coils preferably have the same number of turns. Thus, the coil assemblies or conductor structures or partial coils may be offset in the axial direction and be reproduced one or more times, for Example in intermediate layers of a multi-layer printed circuit board, and are connected together so that the coils are connected in the same direction in series.
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 should be noted that the transmitting coil and the receiving coil can preferably be close to each other without touching each other. However, the coils can also touch isolated turns or overlap slightly when viewed in a vertical projection.
Zur Erklärung der physikalischen Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Spulen- anordnungen wird wiederum auf die Figuren 1 und 4 Bezug genommen.To explain the physical operation of the coil arrangements according to the invention, reference is again made to FIGS. 1 and 4.
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 Wirbel- Stroms 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:If the transmitting coil S is subjected to an alternating current i and placed inside the resulting alternating field H, primary field, a sufficiently conductive object, target T or mounting material, a vortex current within the target is formed and, as a result, a field change takes place a predetermined threshold eventually leads to switching of the inductive proximity switch. This leads to the following effects:
• Verringerung der Gegeninduktivitäten MSEI bzw. MSE2 zwischen S und E1 bzw. E2 • Verringerung der Sendespuleninduktivität Ls• Reduction of the mutual inductances MSEI or M S E2 between S and E1 or E2 • Reduction of the transmitting coil inductance 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.• 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 ΔMSEI bzw. ΔMSE2 der Gegeninduktivitäten betrachtet. Dieser zeigt zwei wichtige Eigenschaften:An essential effect is considered to be the change ΔMSEI or ΔM S E2 of the mutual inductances. This shows two important features:
• Bei gegebenen Bedämpfungsverhältnissen, wie Targetposition und Einbau- geometrie, strebt ΔM, sowie auch ΔMSEI 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 10OkHz 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).• Given given damping conditions, such as target position and built-in geometry, ΔM, as well as ΔMSEI or ΔMSE2, strives to increase the frequency of the alternating field to a limit which is independent of the target material or installation material (assuming a minimum conductivity). Starting from typical metallic damping materials thus obtains a material independence of the response, namely reduction factor 1. Aspired operating frequencies are depending on the design between some 10OkHz 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 ΓEI und ΓE2 der Empfangsspulen E1 und E2 kann erreicht werden, dass sich bei Einbaubedämpfung die Empfangsspannungen UEI und UE2 um den gleichen Betrag Δu ändern, so dass gilt:By a suitable choice of the radii ΓEI and ΓE2 of the receiving coils E1 and E2, it can be achieved that the receiving voltages UEI and UE2 change by the same amount Δu in case of installation attenuation, so that the following applies:
UEI → UEI - ΔuUEI → UEI - Δu
UE2 → UE2- ΔUUE2 → UE2-ΔU
Betrachtet man die Differenzspannung Udiff = UEI - UE2, SO resultiert aus der Einbaubedämpfung keine Änderung von Udiff. Bei Bedämpfung mit dem Target ändern sich die Empfangsspannungen dagegen um unterschiedliche BeträgeIf one considers the differential voltage U d i ff = UEI-UE 2, SO, the result of the installation attenuation is no change of U d i ff . When damped with the target, however, the receiving voltages change by different amounts
ΔUE1 bZW. ΔUE2: ΔUE1 bZW. ΔUE2:
UE2 → UE2 - ΔUE2UE2 → U E2 - ΔUE2
Daraus resultiert eine Änderung der Differenzspannung gemäß:This results in a change in the differential voltage according to:
ΔUdiff = ΔuE2 - ΔuEiΔUdiff = Δu E 2 -Δu E i
Das heißt, dass nur eine targetspezifische Bedämpfung eine Änderung der Differenzspannung bewirkt.This means that only target-specific damping causes a change in the differential voltage.
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. Durch geeignete Wahl der Radien rεi und ΓE2 der Empfangsspulen wird somit erreicht, dass sich bei Einbaubedämpfung die Empfangsspannungen UEI und UE2 in den Empfangsspulen E1 und E2 um den gleichen Betrag Δu ändern und somit in ein ,,Common-lvlode"-Signal überführt werden. Durch eine geeignete Signalaus- wertung nach dem Stand der Technik lässt sich dieser Effekt somit eliminieren.The differential voltage can be formed in the simplest way by antiserial interconnection of the receiver coils. However, it is also conceivable to detect and evaluate both received voltages separately from each other or to link them together in a linear or non-linear network and to evaluate the resulting output signal. By suitable choice of the radii rεi and ΓE2 of the receiving coils is thus achieved that at installation attenuation, the receiving voltages UEI and UE2 in the receiving coils E1 and E2 change by the same amount Δu and thus be converted into a "common-lvlode" 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 UEI und UEI dagegen um unterschiedliche Beträge ΔUEI 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.On the other hand, when attenuated with the target, the receiving voltages UEI and UEI change by different amounts ΔUEI and ΔUE2, 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 separately detect and evaluate the received voltages or to link them together in a linear or non-linear network and to evaluate the resulting output signal.
Mögliche Schaltbilder derartiger Auswerteschaltungen sind in den Figuren 7 bis 9 gezeigt. Figur 7 zeigt ein Schaltungsbeispiel einer Auswerteschaltung, bei welcher die Sendespule S, die von einem Oszillator-Generator Gen beaufschlagt ist, in Reihe zu einem Fühlerwiderstand R geschaltet ist. Die über dem Widerstand R abfallende Spannung UR sowie die in den Empfangsspulen E1 und E2 induzierten Spannungen UEI und UE2 werden dem Netzwerk NW zugeführt, verstärkt und dort miteinander verknüpft.Possible circuit diagrams of such evaluation circuits are shown in FIGS. 7 to 9. FIG. 7 shows a circuit example of an evaluation circuit in which the transmission coil S, which is acted on by an oscillator generator Gen, is connected in series with a sensor resistance R. The voltage UR dropping across the resistor R and the voltages UEI and UE2 induced in the receiver coils E1 and E2 are supplied to the network NW, amplified and linked together there.
Die Figur 8 zeigt das Schaltbild einer weiteren Auswerteschaltung. Der Strom is der Sendespule S, welche von einem Oszillator-Generator G beaufschlagt ist, welcher die Sendespule S mit einer hochfrequenten Wechselspannung versorgt, wie auch die in den Empfangsspulen E1 und E2 induzierten Spannungen UEI und UE2 werden einem Netzwerk NW zugeführt und darin verstärkt und miteinander verknüpft; das Ausgangssignal, UA = f(UEi,UE2,is), ist auf die Sendespule rückgekoppelt.FIG. 8 shows the circuit diagram of a further evaluation circuit. The current is the transmitting coil S, which is acted upon by an oscillator generator G, which supplies the transmitting coil S with a high-frequency alternating voltage, as well as the induced in the receiving coils E1 and E2 voltages UEI and UE2 are fed to a network NW and amplified therein and together connected; the output signal, UA = f (UEi, UE2, is), is fed back to the transmission coil.
Figur 9 zeigt ein alternatives Schaltungsbeispiel einer weiteren Auswerteschal- tung ohne Rückkopplung.FIG. 9 shows an alternative circuit example of a further evaluation circuit without feedback.
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 rEi, fe der Empfangsspulen E1, E2 wie 3,75mm-rs : 4,7mm-rEi : 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 E i, fe of the receiving coils E1, E2 behaves as 3.75 mm -r s : 4,7mm-rEi: 6,7mm-rE2 ± 25% tolerance.
Bei Vorhandensein einer peripheren Leiterbahn LB und einem Skalierungsfaktor 1 beträgt der Radius (ΓLB) der Leiterbahn (LB), bei den Radien (rEi,rE2) der Empfangsspulen (E1.E2) 3,75mm(rs) : 4,7mm(rEi) : 6,7mm(rE2) ± 25% Toleranz, 7,1mm.In the presence of a peripheral trace LB and a scaling factor of 1, the radius (Γ L B) of the trace (LB) at the radii (r E i, rE2) of the receiving coils (E1.E2) is 3.75mm (rs): 4, 7mm (r E i): 6.7mm (r E 2) ± 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. The object of the invention is particularly suitable for the construction of ferrite proximity switches, which are in particular ferrite, but may also have a ferrite for special applications.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Induktiver Näherungsschalter, basierend auf dem transformatorischen Kopplungsfaktor-Prinzip, mit wenigstens einer Sendespule, einem Oszillatorschaltkreis und wenigstens zwei im magnetischen Wechselfeld der Sendespule angeordnete Empfangsspulen, wobei Sendespule und Empfangsspulen benachbart 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, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Empfangsspulen (E1 ,E2,Ei,En,7I8,12,13), wie auch die Sendespule (S,SA, 1 1), 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 (S,11) von der ersten Empfangsspule (E1.12) peripher umgeben ist und diese ihrerseits von der zweiten Empfangsspule (E2,13) peripher umgeben ist, 1. Alternative, oder die erste Empfangsspule (7) von der zweiten Empfangsspule (8) umgeben ist, und diese von der Sendespule (SA) 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 (S,11 ,SA) von der ihr benachbarten Empfangsspule (E1 ,E2,12, 13,En) beabstandet ist, ohne dass sich die Projektionen der Spulen überlappen.1. inductive proximity switch, based on the transformer coupling factor principle, with at least one transmitting coil, an oscillator circuit and at least two in the alternating magnetic field of the transmitting coil arranged receiving coils, said transmitting coil and receiving coils are arranged adjacent to a circuit board, and a connected to the receiving coils evaluation circuit, which generates a switching signal when approaching a target to the proximity switch from the evaluation of the received signals of the receiving coils, characterized in that the at least two receiving coils (E1, E2, Ei, En, 7 I 8,12,13), as well as the transmitting coil ( S, SA, 1 1), each consisting of at least one annular or elliptical or polygonal or spiral-shaped winding and each define a circular or annular or polygonal or elliptical coil surface, either the transmitting coil (S, 11) of the first receiving coil (E1 12) is peripherally surrounded d) is in turn peripherally surrounded by the second receiving coil (E2, 13), 1) alternative, or the first receiving coil (7) is surrounded by the second receiving coil (8), and is peripherally surrounded by the transmitting coil (SA), 2 Alternatively, 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 the spanned by the innermost coil coil surface is completely covered by the coil surfaces of all other coils, as well in perpendicular parallel projection on the coils, the transmitting coil (S, 11, S A ) is spaced from its adjacent receiving coil (E1, E2,12, 13, En), without the projections of the coils overlap.
2. Näherungsschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Empfangsspule von einer dritten und gegebenenfalls diese von einer oder weiteren (i-ten, ..., n-ten) peripheren Empfangsspule (En) umgeben ist, wobei in der zweiten Alternative des Anspruchs 1 jede Empfangsspule von der Sendespule (SA) peripher umgeben ist.2. Proximity switch according to claim 1, characterized in that the second receiving coil of a third and possibly this one or more (i-th, ..., n-th) peripheral receiving coil (En) is surrounded, wherein in the second alternative of claim 1, each receiving coil of the transmitting coil (SA) is peripherally surrounded.
3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die äußerste Spule, Empfangsspule oder Sendespule, von einer peripher angeordneten, geschlossenen Leiterbahn (LB) umgeben ist oder sich zwischen wenigstens zwei benachbarten Empfangsspulen eine geschlossene Leiterbahn (LB) befindet.3. Proximity switch according to claim 1 or 2, characterized in that either the outermost coil, receiving coil or transmitting coil is surrounded by a peripherally arranged, closed interconnect (LB) or between at least two adjacent receiving coils is a closed conductor track (LB).
4. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen von Sendespule und Empfangsspulen jeweils spiralförmig planar in einer Ebene liegend angeordnet sind.4. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the turns of the transmitting coil and receiving coils are each arranged spirally planar lying in a plane.
5. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Sendespule (S) eine kreis- oder ringförmige Spule und die Empfangsspulen (E1 ,E2,En) je eine die Sendespule5. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that either the transmitting coil (S) a circular or annular coil and the receiving coils (E1, E2, En) each one the transmitting coil
(S) einschließende, ringförmige Spule sind oder die innere erste Empfangsspule (7) eine kreis- oder ringförmige Spule ist und die übrigen, die erste Empfangsspule umgebende Empfangsspulen (8) und die periphere Sendespule je eine ringförmige Spule sind, wobei in senkrechter Parallelprojektion auf die Spulen diese voneinander beabstandet sind.(S) enclosing, annular coil or the inner first receiving coil (7) is a circular or annular coil and the remaining, the first receiving coil surrounding receiving coils (8) and the peripheral transmitting coil are each an annular coil, wherein in parallel projection on the coils are spaced from each other.
6. Näherungsschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter einer Spulenanordnung gemäß Anspruch 1 in senkrechter Parallelprojektion auf dieselbe sich in einer weiteren Ebene wenigstens eine weitere identische Spulenanordnung befindet und somit die Spulen der Spulenanordnung in leitungsmäßig miteinander verbundene Teilspu- len auf verschiedene Ebenen aufgeteilt sind, wobei die zu jeder Spule gehörenden Teilspulen deckungsgleich übereinander angeordnet und gleichsinnig hintereinander geschaltet sowie gleichsinnig vom Strom durchflössen sind. 6. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that under a coil assembly according to claim 1 in a parallel projection on the same in a further plane at least one further identical coil assembly is and thus the coils of the coil assembly in line interconnected Teilspu- len on different Layers are divided, wherein the part coils belonging to each coil are arranged congruently one above the other and in the same direction connected in series and in the same direction are flowed through by the current.
7. Näherungsschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Sendespule in, vorzugsweise gleichsinnig hintereinander geschaltete, Teilspulen (S1S1) aufgeteilt ist, welche in zwei übereinander angeordnete Ebenen deckungsgleich übereinander angeordnet und gleichsinnig vom Strom durchflössen sind.7. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that only the transmitting coil in, preferably in the same direction connected in series, partial coils (S 1 S 1 ) is divided, which are arranged congruently in two superimposed planes superimposed and in the same direction flowed through by the current.
8. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Spulen, nämlich Sendespule und/oder Empfangsspulen, durch eine spiralförmige Leiterbahn auf oder in einer Platine (P) gebildet ist.8. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the coils, namely transmitting coil and / or receiving coils, by a spiral-shaped conductor on or in a circuit board (P) is formed.
9. Näherungsschalter nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Empfangsspulen aufgrund von magnetischen Flussänderungen entstehenden Signale in der Auswerteschaltung nach dem Differenzprinzip ausgewertet werden.9. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the resulting in the receiving coil due to magnetic flux changes signals are evaluated in the evaluation circuit according to the principle of difference.
10. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe einen zylindrischen Aufbau mit einer metallischen Hülse (16) sowie konzentrische Leiterstrukturen seiner Spulen (S.E1.E2) aufweist.10. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that it has a cylindrical structure with a metallic sleeve (16) and concentric conductor structures of its coils (S.E1.E2).
11. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe ohne Ferrit aufgebaut ist.11. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the same is constructed without ferrite.
12. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich unter der Sendespule zur Feldmodellierung eine Ferritscheibe befindet.12. Proximity switch according to one of the preceding claims 1 to 10, characterized in that there is a ferrite disk under the transmission coil for field modeling.
13. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 12, dass sich, in Abweichung von Anspruch 1 , die Sende- und/oder Empfangsspulen berühren oder sich in senkrechter Projektion geringfügig überlappen, so dass sich in senkrechter Projektion die Spulen kreuzen können. 13. Proximity switch according to one of the preceding claims 1 to 12, that, in deviation from claim 1, the transmitting and / or receiving coils touch or slightly overlap in vertical projection, so that the coils can cross in a vertical projection.
14. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule, in Abweichung von Anspruch 1 , zwischen zwei Empfangsspulen angeordnet ist.14. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitting coil, in deviation from claim 1, is arranged between two receiving coils.
15. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Wahl der Radien (rEi,rE2) der Empfangsspulen (E1 ,E2) allein bei Bedämpfung des Näherungsschalters durch ein Target eine Änderung der Differenzspannung und damit ein Schaltsignal bewirkt wird.15. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that by suitable choice of the radii (rEi, rE2) of the receiving coils (E1, E2) alone in damping the proximity switch by a target, a change in the differential voltage and thus a switching signal is effected.
16. Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, sich bei der Verwendung von zwei Empfangsspulen (E1 ,E2) und einer Sendespule (S) der Radius (rs) der Sendespule (S) zu den Radien (rεi.fe) der Empfangsspulen (E1,E2) verhält wie 3,75mm(rs) : 4,7mm(rεi) : 6,7mm(rε2) ± 25% Toleranz.16. Proximity switch according to one of the preceding claims, in the use of two receiving coils (E1, E2) and a transmitting coil (S) of the radius (rs) of the transmitting coil (S) to the radii (rεi.fe) of the receiving coils (E1, E2) behaves like 3.75mm (rs): 4.7mm (rεi): 6.7mm (rε 2 ) ± 25% tolerance.
17. Näherungsschalter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein einer peripheren Leiterbahn (LB) und einem Skalierungsfaktor 1 der Radius (ΓLB) der Leiterbahn (LB), bei den Radien (^1,^2) der Empfangsspulen (E1,E2) 3,75mm(rs) : 4,7mm(rEi) : 6,7mm(rE2) ± 25% Toleranz, 7,1mm beträgt. 17. Proximity switch according to claim 16, characterized in that in the presence of a peripheral conductor (LB) and a scaling factor 1, the radius (ΓLB) of the conductor (LB), at the radii (^ 1, ^ 2) of the receiving coils (E1, E2 ) 3.75mm (r s): 4.7 mm (r e i): 6.7 mm (r e is 2) ± 25% tolerance, 7.1mm.
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