WO2014023605A1 - Induktiver näherungsschalter - Google Patents

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WO2014023605A1
WO2014023605A1 PCT/EP2013/065949 EP2013065949W WO2014023605A1 WO 2014023605 A1 WO2014023605 A1 WO 2014023605A1 EP 2013065949 W EP2013065949 W EP 2013065949W WO 2014023605 A1 WO2014023605 A1 WO 2014023605A1
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coil
proximity switch
receiving
coils
bobbin
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PCT/EP2013/065949
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English (en)
French (fr)
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Markus PREG
Jochen Gundlach
Reinhard Teichmann
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Ifm Electronic Gmbh
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Priority claimed from DE201210220275 external-priority patent/DE102012220275A1/de
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Priority to US14/405,540 priority Critical patent/US20150145348A1/en
Priority to CN201380041672.0A priority patent/CN104521142B/zh
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    • H03K2017/9527—Details of coils in the emitter or receiver; Magnetic detector comprising emitting and receiving coils

Definitions

  • the invention relates to a non-contact inductive proximity switch according to the preamble of patent claim 1.
  • Inductive proximity switches are used as non-contact electronic switching devices, especially in automation technology.
  • transformer principle working inductive proximity switches are known. They are widely used in industry and are produced in large quantities. In order to facilitate the assembly and replacement of the devices, they are usually delivered with a fixed switching distance.
  • an electromagnetic magnetic field can be influenced by a metallic trigger.
  • the influence of the magnetic field by the metallic trigger is evaluated electronically and output as a binary switching signal via a switching stage.
  • Such switching devices are manufactured and distributed in various designs, inter alia, by the Applicant.
  • At least one transmitting coil and one receiving coil inductively coupled to the transmitting coil are necessary.
  • the essential measure is the transformer coupling factor between the two coils.
  • the transformer coupling factor of the two coils can be influenced by the metallic release. The degree of influence affects the signal at the receiving coil. Depending on the properties of the trigger and phase shifts may arise, which contribute according to the evaluation in different ways to the measurement result.
  • switching or control flag metallic trigger in the surveillance area of the proximity switch is, as already stated, the transformer coupling factor of the transformer formed by the two coils influenced and depending on the specific embodiment of the proximity switch either a switching signal when the Signal on the transmitter coil or on the receiver coil exceeds a certain value, or if it falls below this value. Since the evaluation is usually based on the signal amplitude, the high-frequency signal is rectified, smoothed and fed to a comparator. It can also be digitized and processed in a microcontroller.
  • both the control of the transmitting coil and the evaluation of the influence of the metallic trigger can be done in different ways.
  • the transmitting coil is part of an oscillator which can be influenced by the metallic trigger. But there are also externally controlled transmission coils from a high frequency generator.
  • the interaction with the metallic trigger is limited to the near field. Therefore, it decreases approximately with the 3-fold power of the switching distance.
  • two receiver coils are operated in differential circuit. The design is chosen so that one of the two coils is more affected by the trigger than the other. Zeroing in the uninfluenced state results in a very sensitive differential coil arrangement. This is adjusted so that cancel the signals of the two receiving coils in the uninfluenced, or in a particular state each other. The better this balance is achieved, the higher the sensor signal can be amplified without the amplifier overdriving.
  • a factory adjustment of the differential coil assembly in manufacturing can eliminate the problem only for a narrow temperature range.
  • One coil serves as the actual receiving coil and the other as the trigger less, ideally unaffected reference coil.
  • the two receiver coils are here in the feedback branch of a Meissner oscillator.
  • the oscillator amplitude is evaluated.
  • the switching distance is reached when, due to the interaction with a metallic release, the differential AC voltages of the two coils cancel each other out. In this case, the oscillator changes its vibrational state abruptly.
  • the arrangement is therefore very sensitive, but also susceptible to interference.
  • DE10012830A1 it is proposed in DE10012830A1 to apply the signal to be evaluated with the oscillator frequency, so as to filter out the interference signals.
  • the disadvantage is the limitation of the maximum achievable switching frequency by tearing off and re-oscillation of the oscillator.
  • the differential coil arrangement is, as shown in DE1001 2830A1, in
  • the reference coil has the same diameter and also the same distance to the transmitter coil as the actual receiver coil. Only then can the thermal stability required for highly sensitive devices be achieved. At different distances to
  • Transmitting coil are the inductive coupling factors due to the thermal
  • the symmetrical differential coil arrangement is also problematic because the decoupling of the reference coil succeeds only insufficient.
  • the reference coil is only insufficiently shielded by the transmitter coil from the trigger, above all because of its diameter.
  • the remaining inductive coupling of the reference coil with the trigger necessarily affects the measurement signal.
  • an arrangement with two mutually decoupled transformers (coil pairs) is proposed in DE10350733B4.
  • the influence of the trigger on the reference coil is largely excluded.
  • a second transmission coil is required. Disadvantages here are the material expense for the additional transmitting coil and the space required for the two decoupled from each other, ie preferably offset by 90 ° to each other coil pairs.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art, and to provide a compact, long-term stable and temperature insensitive inductive proximity switch.
  • the bobbin block consists of an LTCC glass ceramic, Low Temperature Co-fired Ceramics, which has a coefficient of thermal expansion of 6 - 8 ppm / K and the desired high dimensional stability.
  • the known printed circuit board coils based on the printed circuit board material FR4 do not achieve the necessary thermal stability.
  • the sensor coil assembly is therefore designed according to the invention as a multilayer ceramic in LTCC technology.
  • the bobbins are screen printed on the unfired (green) ceramic layer by layer.
  • the conductor tracks are preferably made of copper, but may also consist of silver. After stacking and pressing, the multi-layered construction is fired at about 900 ° C in a process furnace.
  • FIG. 1 a proximity switch according to the invention with current mirror oscillator
  • FIG. 2 a bobbin according to the invention with the receiver coil at the edge
  • FIG. 3 a cylindrical proximity switch according to the invention in longitudinal section.
  • Fig. 1 shows the essential circuit elements of the inductive proximity switch according to the invention in a greatly simplified representation.
  • Generator 1 is designed as a current mirror oscillator. The advantage is the high
  • the anti-serially connected receiving coils 4 and 5 are connected to a slope mixer 10 whose emitter branch is acted upon by the oscillator signal.
  • This arrangement in particular the coupling of the transmitting coil 2 with the slope mixer 10 is shown greatly simplified.
  • a Gilbert cell is certainly better suited here. All three coils are enclosed in a monolithic ceramic block, the bobbin 7.
  • the structure is chosen so that the difference signal of the two receiver coils 4 and 5 in the uninfluenced state is zero.
  • the low thermal expansion coefficient of the bobbin material typically 8 ppm / K provides the necessary thermal stability of the device.
  • the bobbin 7 is advantageously made of LTCC ceramic and contains in the embodiment shown in addition to the three coils the resonant circuit capacitor 8 and a Vorbedämpfungs Design 9 for the reference coil. 5
  • the pre-damping surface 9 can also be structured. It is used for defined pre-damping of the reference coil 5, which can ideally not be influenced by the metallic trigger 6. Thus, the influence of the installation position on the switching distance of the proximity switch can also be reduced.
  • the difference signal of the receiving coils 4 and 5 is fed to the slope mixer 10, which operates as an analogue multiplier. It multiplies the received signal with the oscillator signal, which also serves as a transmission signal here. Due to the in-phase evaluation, noise is largely masked out. However, phase shifts caused by trigger 6 also enter into the result.
  • the pulsating DC signal generated at the multiplier 10 is smoothed and supplied to a trigger or comparator, which compares the signal with a threshold value and depending on the state of attenuation
  • Coil arrangement generates a binary switching signal.
  • the evaluation circuit 3 may according to the invention instead of the multiplier 10 also include an integrator or a correlator, which is advantageously stored as software in a microcontroller.
  • the switching output A can have the usual functions of proximity switches, such as electronic fuse and / or overvoltage protection.
  • the ceramic coil according to the invention can also be part of a three-point oscillator. It does not necessarily belong to a frequency-determining resonant circuit, but can be acted upon by a high frequency generator 1 with sine, triangle or square pulses of any frequency and pulse shape.
  • FIG. 2 shows a ceramic bobbin 7 according to the invention
  • Ceramic layer contains a coil layer, which may, however, also belong to different coils which are connected to each other via vias, not shown.
  • the outer coil contacts are shown only schematically. The number of coil layers is not representative.
  • the transmitting coil designated at its contacts with 2 has more turns than the receiving coil 4 and the reference coil 5. All three coils lie approximately in a common center plane.
  • the receiving coil 4 is arranged at a certain distance from the transmitting coil 2 because of the better contact with the trigger 6 at the edge of the bobbin 7.
  • the resonant circuit capacitor 8, not shown here, is advantageously arranged on the rear side of the transmitting coil 2.
  • the pre-damping surface 9 is also not shown. It can according to the invention lie on both sides of the reference coil 5, ie also on the side of the reference coil 5 facing the trigger.
  • the front surface 1 1 can be made of metal, preferably stainless steel, but also made
  • the device has a plug 12 with threaded connection M8 x 1 and is for
  • the evaluation circuit 3 consists here of a preamplifier, a multiplier 10, an integrator and a Schmitt trigger for generating the binary switching signal.
  • the power supply and usually with a current limit or a
  • the invention relates to an inductive proximity switch with an oscillator 1 and a transmitting coil 2 for generating an alternating magnetic field, a
  • Reception circuit 3 with two operated in differential circuit receiving coils 4 and 5 for detecting a penetrating into the magnetic alternating field metallic shutter 6, wherein the receiving coils 4 and 5 are arranged and constructed so that they can be influenced differently from the trigger 6 and the induced receiving voltages at a desired (switching) - distance of the trigger 6 cancel each other. This can be done even in the absence of
  • Trigger 6 will be the case. All three coils are housed in a common bobbin 7 and completely embedded in the bobbin material. It has proven to be advantageous to arrange the receiving coil 4 at the edge and the reference coil 5 in the center of the common bobbin 7.
  • the bobbin material has a thermal expansion coefficient of less than 10 ppm / K. Typical are 8 ppm / K. The permittivity e re iativ of the bobbin material is less than 7. The typical value is 5.8.
  • the bobbin 7 is advantageously made of a multilayer ceramic body of LTCC or HTCC ceramic, the abbreviation HTCC stands for "High Temperature Co-fired Ceramics”.
  • the two receiving coils 4 and 5 can be nested with the turns of the transmitting coil 2, that is, the coils can penetrate each other.
  • the distances between the two receiving coils 4 and 5 to the transmitting coil 2 and also their diameters may be different. Due to its smaller diameter, the reference coil 5 requires a higher number of turns than the receiving coil 4. Since the reference coil 5 has a smaller diameter and is arranged in the near-axis region of the proximity switch, it can be influenced much less by the trigger than the actual receiver coil 4.
  • the reference coil 5 is completely enclosed by the transmitting coil 2.
  • the reference coil 5 is better decoupled from the trigger 6 and increased the sensitivity of the arrangement.
  • This arrangement has a positive effect on the temperature response.
  • the receiving coil 4 and the reference coil 5 have the same transformer
  • the thermal conductivity of the bobbin material is at least 3 W / (m * K).
  • a capacitor 8 (resonant circuit capacitor) and a Vorbedämpfungs simulation 9 for pre-damping of the reference coil 5 may be embedded.
  • the receiving coil 2 may be arranged at a distance from the transmitting coil 2.

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  • Electronic Switches (AREA)
  • Switches That Are Operated By Magnetic Or Electric Fields (AREA)

Abstract

Induktiver Näherungsschalter mit einem Oszillator 1 und einer Senderspule 2 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, einer Empfangsschaltung 3 mit zwei in Differenzschaltung betriebenen Empfangsspulen 4 und 5 zum Nachweis eines metallischen Auslösers 6, wobei die Empfangsspulen 4 und 5 so angeordnet sind, dass sie unterschiedlich vom Auslöser 6 beeinflussbar sind und die induzierten Empfangsspannungen sich bei einem gewünschten Schaltabstand des Auslösers 6 gegenseitig aufheben. Die Spulen liegen in einem gemeinsamen Spulenkörper 7 und sind vollständig in das Spulenkörpermaterial eingebettet. Die Empfangsspule 4 ist im Randbereich des Spulenkörpers 7 angeordnet. Der Spulenkörper 7 besteht aus LTCC-Keramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner 10 ppm/K.

Description

Induktiver Näherungsschalter
Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden induktiven Näherungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Induktive Näherungsschalter werden als berührungslos arbeitende elektronische Schaltgeräte vor allem in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Insbesondere sind nach dem transformatorischen Prinzip arbeitende induktive Näherungsschalter bekannt. Sie sind in der Industrie weit verbreitet und werden in großer Stückzahl hergestellt. Um die Montage und auch den Austausch der Geräte zu erleichtern, werden sie meist mit einem fest eingestellten Schaltabstand ausgeliefert.
Mit einer Sendespule wird ein elektromagnetisches von einem metallischen Auslöser beeinflussbares Magnetfeld erzeugt. Die Beeinflussung des Magnetfeldes durch den metallischen Auslöser wird elektronisch ausgewertet und in als binäres Schaltsignal über eine Schaltstufe ausgegeben.
Solche Schaltgeräte werden in den verschiedensten Ausführungen unter anderem auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
Zur Realisierung des transformatorischen Prinzips sind mindestens eine Sendespule und eine induktiv mit der Sendespule gekoppelte Empfangsspule notwendig. Die wesentliche Messgröße ist der transformatorische Koppelfaktor zwischen den beiden Spulen. Der transformatorische Koppelfaktor der beiden Spulen ist vom metallischen Auslöser beeinflussbar. Der Grad der Beeinflussung wirkt sich auf das Signal an der Empfangsspule aus. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Auslösers können auch Phasenverschiebungen entstehen, die entsprechend dem Auswerteverfahren in unterschiedlicher weise zum Messergebnis beitragen.
Beim Eindringen eines auch als Target, Schalt- oder Steuerfahne bezeichneten metallischer Auslösers in den Überwachungsbereich des Näherungsschalters wird, wie bereits ausgeführt, der transformatorische Koppelfaktor des von den beiden Spulen gebildeten Transformators beeinflusst und abhängig von der konkreten Ausführungsform des Näherungsschalters entweder ein Schaltsignal ausgelöst wenn das Signal an der Sendespule oder an der Empfangsspule einen bestimmten Wert überschreitet, oder wenn es diesen Wert unterschreitet. Da die Bewertung meist anhand der Signalamplitude erfolgt, wird das hochfrequente Signal gleichgerichtet, geglättet und einem Komparator zugeführt. Es kann aber auch digitalisiert und in einem MikroController verarbeitet werden.
Dabei kann sowohl die Ansteuerung der Sendespule als auch die Bewertung des Einflusses des metallischen Auslösers auf unterschiedliche Art erfolgen.
In manchen Fällen ist die Sendespule Bestandteil eines durch den metallischen Auslöser beeinflussbaren Oszillators. Es gibt aber auch von einem Hochfrequenz- Generator fremdgesteuerte Sendespulen.
Die Wechselwirkung mit dem metallischen Auslöser ist allerdings auf das Nahfeld beschränkt. Deshalb nimmt sie etwa mit der 3-fachen Potenz des Schaltabstandes ab. Um auch noch geringe Wechselwirkungen mit dem metallischen Auslöser nachweisen zu können, ist es vorteilhaft, das Signal im unbeeinflussten Zustand zu kompensieren und nur die vom Auslöser hervorgerufenen Änderungen auszuwerten. Dazu werden vorzugsweise zwei Empfangspulen in Differenzschaltung betrieben. Der Aufbau wird so gewählt, dass eine der beiden Spulen stärker vom Auslöser beeinflusst wird als die andere. Durch Nullabgleich im unbeeinflussten Zustand erhält man eine sehr empfindliche Differenzspulenanordnung. Diese wird so abgeglichen, dass sich die Signale der beiden Empfangsspulen im unbeeinflussten, bzw. in einem bestimmten Zustand gegenseitig aufheben. Je besser dieser Abgleich gelingt, umso höher kann man das Sensorsignal verstärken, ohne dass es zu einer Übersteuerung des Verstärkers kommt.
Da das Magnetfeld und damit auch die Wechselwirkung der Spulenanordnung mit dem metallische Auslöser mit wachsender Entfernung schnell abnimmt, können Temperatureinflüsse, insbesondere Lageänderungen der Kupferwicklungen, aber auch der Temperaturgang der übrigen beteiligten Materialien und Bauelemente Signaländerungen hervorrufen, die in der gleichen Größenordnung wie das zu erwartende Sensorsignal liegen. Deshalb sind höhere Schaltabstände nur dann erreichbar, wenn die Temperaturabhängigkeit der Anordnung über den gesamten Arbeitstemperaturbereich kompensiert werden kann. Dieses Gleichgewicht kann schon durch Verguß der Geräte während der Fertigung, aber auch durch die
Einbausituation am Einsatzort gestört werden.
Ein werksseitiger Abgleich der Differenzspulenanordnung bei der Fertigung kann das Problem nur für einen engen Temperaturbereich beseitigen. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, und gleichzeitig unerwünschte Einflüsse zu unterdrücken, wird in der DE4102542A1 vorgeschlagen, zwei Empfangsspulen in unmittelbarer Differenzschaltung zu betreiben. Eine Spule dient dabei als eigentliche Empfangsspule und die andere als vom Auslöser weniger, im Idealfall unbeeinflusste Referenzspule. Die beiden Empfangsspulen liegen hier im Rückkopplungszweig eines Meißner-Oszillators. Bewertet wird die Oszillatoramplitude. Der Schaltabstand wird erreicht, wenn sich auf Grund der Wechselwirkung mit einem metallischen Auslöser die Differenzwechselspannungen der beiden Spulen aufheben. In diesem Falle ändert der Oszillator seinen Schwingungszustand sprunghaft. Die Anordnung ist deshalb sehr empfindlich, aber auch entsprechend störanfällig.
Deshalb wird in der DE10012830A1 vorgeschlagen, das auszuwertende Signal mit der Oszillatorfrequenz zu beaufschlagen, um so die Störsignale auszufiltern.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, den verbleibenden Offset des Meßsignals durch Addition des invertierten Oszillatorsignals vom Meßsignal zu subtrahieren.
Nachteilig ist die Begrenzung der maximal erreichbaren Schaltfrequenz durch das Abreißen und erneute Anschwingen des Oszillators.
Die Differenzspulenanordnung ist, wie in der DE1001 2830A1 gezeigt, im
Allgemeinen symmetrisch aufgebaut, d. h. die Referenzspule hat den gleichen Durchmesser und auch den gleichen Abstand zur Sendespule wie die eigentliche Empfangsspule. Denn nur so kann die für hochempfindliche Geräte erforderliche thermische Stabilität erreicht werden. Bei unterschiedlichen Abständen zur
Sendespule sind die induktiven Koppelfaktoren wegen des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der Trägermaterialien Funktionen der Temperatur, die aufwändig zu korrigieren wäre. Wie oben ausgeführt, sind hier selbst die
Lageänderungen der Kupferwicklungen auf Grund ihrer thermischen Ausdehnung zu beachten.
Die symmetrische Differenzspulenanordnung ist aber auch deshalb problematisch, weil die Entkopplung der Referenzspule nur unzureichend gelingt. Die Referenzspule wird vor allem wegen Ihres Durchmessers nur unzureichend durch die Sendespule vom Auslöser abgeschirmt. Die verbleibende induktive Kopplung der Referenzspule mit dem Auslöser beeinflusst notwendigerweise das Meßsignal. Aus diesem Grund wird in der DE10350733B4 eine Anordnung mit zwei voneinander entkoppelten Transformatoren (Spulenpaaren) vorgeschlagen. So wird der Einfluss des Auslösers auf die Referenzspule weitgehend ausgeschlossen. Allerdings ist nun eine zweite Sendespule erforderlich. Nachteilig sind hierbei der materielle Aufwand für die zusätzliche Sendespule und der Platzbedarf für die zwei voneinander entkoppelten, d. h. vorzugsweise um 90° gegeneinander versetzten Spulenpaare.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, und einen kompakten, langzeitstabilen und temperaturunempfindlichen induktiven Näherungsschalter anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, alle drei Spulen der
Differenzspulenanordnung in einem monolithischen Spulenkörperblock mit hoher Maßhaltigkeit und geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterzubringen. In vorteilhafter Weise besteht der Spulenkörperblock aus einer LTCC-Glaskeramik, Low Temperature Co-fired Ceramics, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6 - 8 ppm/K und die gewünschte hohe Maßhaltigkeit aufweist.
Die bekannten Leiterplattenspulen auf der Grundlage des Leiterplattenmaterials FR4 erreichen nicht die notwendige thermische Stabilität. Der Sensorspulenaufbau ist deshalb erfindungsgemäß als mehrlagige Keramik in LTCC-Technik ausgeführt. Hierbei werden die Spulen im Siebdruckverfahren Lage für Lage auf die ungebrannte (grüne) Keramik gedruckt. Die Leiterbahnen sind vorzugsweise aus Kupfer, können aber auch aus Silber bestehen. Nach dem Stapeln und Pressen wird der der vielschichtige Aufbau bei etwa 900 °C in einem Prozessofen gebrannt.
Bei Bedarf können auch Kondensatoren, Abschirmgitter und/oder eine Metallstruktur zur Vorbedämpfung der Referenzspule in den Keramikkörper eingebracht werden. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau wird auch die thermische Kopplung der Spulen verbessert. Ein Vorteil der LTCC-Keramik gegenüber anderer Keramik sind ihre geringen dielektrischen Verluste. Die Permittivität der Keramik liegt etwa bei 7. Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : Einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter mit Stromspiegeloszillator, Fig. 2: Einen erfindungsgemäßen Spulenkörper mit der Empfangsspule an Rand, Fig. 3: Einen erfindungsgemäßen zylindrischen Näherungsschalter im Längsschnitt.
Die Fig. 1 zeigt die wesentlichen Schaltungselemente des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters in einer stark vereinfachten Darstellung. Der
Generator 1 ist als Stromspiegeloszillator ausgeführt. Vorteilhaft ist die hohe
Verstärkung, die zum schnellen Anschwingen führt und den Schwingungsabriss bei starker Bedämpfung verhindert. Die Amplitude des Oszillatorsignals kann mit dem Widerstand Ra abgeglichen werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Schaltung ohne Mittenanzapfung der gleichzeitig als Sendespule 2 dienenden Oszillatorspule auskommt.
Die antiseriell geschalteten Empfangsspulen 4 und 5 sind einem Steilheitsmischer 10 verbunden, dessen Emitterzweig mit dem Oszillatorsignal beaufschlagt ist. Diese Anordnung, insbesondere die Kopplung der Sendespule 2 mit dem Steilheitsmischer 10 ist stark vereinfacht dargestellt. Eine Gilbertzelle ist hier sicher besser geeignet. Alle drei Spulen sind in einem monolithischen Keramikblock, dem Spulenkörper 7 eingeschlossen. Der Aufbau ist so gewählt, dass das Differenzsignal der beiden Empfangsspulen 4 und 5 im unbeeinflussten Zustand Null beträgt. Der geringe Wärmeausdehnungskoeffizient des Spulenkörpermaterials von typisch 8 ppm/K sorgt für die notwendige thermische Stabilität der Anordnung.
Der Spulenkörper 7 besteht vorteilhafterweise aus LTCC-Keramik und enthält in der der gezeigten Ausführung neben den drei Spulen den Schwingkreiskondensator 8 und eine Vorbedämpfungsfläche 9 für die Referenzspule 5.
Die Vorbedämpfungsfläche 9 kann auch strukturiert sein. Sie dient zur definierten Vorbedämpfung der idealerweise nicht vom metallischen Auslöser 6 beeinflussbaren Referenzspule 5. So kann auch der Einfluss der Einbaulage auf den Schaltabstand des Näherungsschalters verringert werden.
Das Differenzsignal der Empfangsspulen 4 und 5 wird dem Steilheitsmischer 10 zugeführt, der als Analogmultiplizierer arbeitet. Er multipliziert das Empfangssignal mit dem Oszillatorsignal, das hier auch als Sendesignal dient. Durch die phasenrichtige Auswertung werden Störungen weitgehend ausgeblendet. Allerdings gehen auch vom Auslöser 6 hervorgerufene Phasenverschiebungen in das Ergebnis ein.
Das am Multiplizierer 10 entstehende pulsierende Gleichspannungssignal wird geglättet und einem Trigger oder Komparator zugeführt, der das Signal mit einem Schwellwert vergleicht und in Abhängigkeit vom Bedämpfungszustand der
Spulenanordnung ein binäres Schaltsignal erzeugt. Die Auswerteschaltung 3 kann erfindungsgemäß an Stelle des Multipliziereres 10 auch einen Integrator oder einen Korrelator enthalten, der vorteilhaft als Software in einem MikroController abgelegt ist. Der Schaltausgang A kann selbst verständlich die bei Näherungsschaltern üblichen Funktionen wie elektronische Sicherung und/oder Überspannungsschutz aufweisen.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigte Anordnung beschränkt. Die erfindungsgemäße Keramikspule kann auch Bestandteil eines Dreipunktoszillators sein. Sie muss auch nicht unbedingt zu einem frequenzbestimmenden Schwingkreis gehören, sondern kann von einem Hochfrequenzgenerator 1 mit Sinus, Dreieckoder Rechteckimpulsen beliebiger Frequenz und Impulsform beaufschlagt werden.
Die Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen keramischen Spulenkörper 7. Jede
Keramiklage enthält eine Spulenlage, die allerdings auch zu verschiedenen Spulen gehören kann, die über nicht dargestellte Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind. Die äußeren Spulenkontakte sind nur schematisch dargestellt. Die Anzahl der Spulenlagen ist nicht repräsentativ.
Um den Sendestrom möglichst gering zu halten, weist die an ihren Kontakten mit 2 bezeichnete Sendespule mehr Windungen auf, als die Empfangsspule 4 und die Referenzspule 5. Alle drei Spulen liegen etwa in einer gemeinsamen Mittelebene. Die Empfangsspule 4 ist wegen des besseren Kontakts zum Auslöser 6 am Rand des Spulenkörpers 7 in einem gewissen Abstand zur Sendespule 2 angeordnet.
Der hier nicht dargestellte Schwingkreiskondensator 8 ist vorteilhaft an der Rückseite der Sendespule 2 angeordnet. Die Vorbedämpfungsfläche 9 ist auch nicht dargestellt. Sie kann erfindungsgemäß an beiden Seiten der Referenzspule 5, also auch an der dem Auslöser zugewandten Seite der Referenzspule 5 liegen.
Alle drei Spulen werden über die Rückseite des Spulenkörpers 7 kontaktiert. Die Fig. 3 zeigt den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters in zylindrischer Bauform. Die in Fig.1 gezeigten Schaltungselemente sind hier noch stärker vereinfacht dargestellt.
Die Frontfläche 1 1 kann aus Metall, vorzugsweise Edelstahl, aber auch aus
Kunststoff oder Keramik bestehen. Ihr Randbereich wird möglichst vollständig als
Empfangsfläche genutzt und deshalb von der Empfangsspule 4 ausgefüllt.
Das Gerät weist einen Stecker 12 mit Gewindeanschluss M8 x 1 auf und ist zur
Erleichterung der Montage mit einem Außengewinde M1 2 x 1 versehen.
Die übrigen Schaltelemente wurden bereits erläutert. Die Auswerteschaltung 3 besteht hier aus einem Vorverstärker, einem Multiplizierer 10, einem Integrator und einen Schmitt-Trigger zur Erzeugung des binären Schaltsignals.
Die Stromversorgung und die üblicherweise mit einer Strombegrenzung oder einen
Kurzschlußschutz ausgestattete Schaltstufe sind nicht dargestellt.
Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einem Oszillator 1 und einer Sendespule 2 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, einer
Empfangsschaltung 3 mit zwei in Differenzschaltung betriebenen Empfangsspulen 4 und 5 zum Nachweis eines in das magnetische Wechselfeld eindringenden metallischen Auslösers 6, wobei die Empfangsspulen 4 und 5 so angeordnet und aufgebaut sind, dass sie unterschiedlich vom Auslöser 6 beeinflussbar sind und die induzierten Empfangsspannungen sich bei einem gewünschten (Schalt)- Abstand des Auslösers 6 gegenseitig aufheben. Das kann auch bei Abwesenheit des
Auslösers 6 der Fall sein. Alle drei Spulen sind in einem gemeinsamen Spulenkörper 7 untergebracht und vollständig in das Spulenkörpermaterial eingebettet. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Empfangsspule 4 am Rand und die Referenzspule 5 im Zentrum des gemeinsamen Spulenkörpers 7 anzuordnen.
Das Spulenkörpermaterial weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner 10 ppm/K auf. Typisch sind 8 ppm/K. Die Permittivität ereiativ des Spulenkörpermaterials ist kleiner als 7. Der typische Wert ist 5,8.
Der Spulenkörper 7 besteht vorteilhaft aus einem mehrlagigen Keramikkörper aus LTCC oder HTCC-Keramik, wobei die Abkürzung HTCC für „High Temperature Co- fired Ceramics" steht.
Die beiden Empfangsspulen 4 und 5 können mit den Windungen der Sendespule 2 verschachtelt sein, d.h. die Spulen können sich gegenseitig durchdringen. Die Abstände der beiden Empfangsspulen 4 und 5 zur Sendespule 2 und auch ihre Durchmesser können unterschiedlich sein. Die Referenzspule 5 benötigt wegen ihres geringeren Durchmessers eine höhere Windungszahl als die Empfangsspule 4. Da die Referenzspule 5 einen kleineren Durchmesser aufweist und im achsnahen Bereich des Näherungsschalters angeordnet, ist sie deutlich weniger vom Auslöser beeinflussbar als die eigentliche Empfangsspule 4.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Referenzspule 5 vollständig von der Sendespule 2 umschlossen. So wird die Referenzspule 5 besser vom Auslöser 6 entkoppelt und die Empfindlichkeit der Anordnung gesteigert. Diese Anordnung wirkt sich positiv auf den Temperaturgang aus. Vorteilhaft weisen die Empfangsspule 4 und die Referenzspule 5 den gleichen transformatorischen
Koppelfaktor zur Sendespule 2 auf. In manchen Fällen ist auch der gleiche induktive Widerstand von Vorteil.
Die Wärmeleitfähigkeit des Spulenkörpermaterials beträgt mindestens 3 W/(m*K). In den Spulenkörper 7 können ein Kondensator 8 (Schwingkreiskondensator) und eine Vorbedämpfungsfläche 9 zur Vorbedämpfung der Referenzspule 5 eingebettet sein. Die Empfangsspule 2 kann in einem Abstand zur Sendespule 2 angeordnet sein.
Bezugszeichenliste
1 Oszillator, Hochfrequenzgenerator
2 Sendespule
3 Empfangsschaltung
4 Empfangsspule (1 . Empfangsspule)
5 Referenzspule (2. Empfangsspule)
6 Metallischer Auslöser , Target
7 Spulenkörper mit der Sendespule 2 und den Empfangsspulen 4 und 5
8 Kondensator, Schwingkreiskondensator
9 Vorbedämpfungsfläche
10 Multiplizierer
1 1 Frontfläche
12 Stecker mit Gewindeanschluss M8 x 1
A Schaltausgang
Ub Betriebsspannung
Ra Abgleichwiderstand

Claims

Ansprüche
1 . Induktiver Näherungsschalter mit einem Oszillator (1 ) und einer Senderspule (2) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, einer Empfangsschaltung (3) und zwei in Differenzschaltung betriebenen Empfangsspulen (4, 5) zum Nachweis eines in das magnetische Wechselfeld eindringenden metallischen Auslösers (6), wobei die Empfangsspulen (4, 5) so ausgeführt und angeordnet sind, dass sich ihre Signale bei einem bestimmten Abstand des Auslösers (6) gegenseitig aufheben, dadurch gekennzeichnet, dass alle drei Spulen (2, 4, 5) in einem gemeinsamen Spulenkörper (7) untergebracht sind, vollständig in das Spulenkörpermaterial eingebettet und von diesem umschlossen sind, wobei die erste Empfangsspule (4) im Randbereich des gemeinsamen Spulenkörpers (7) angeordnet ist.
2. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Spulenkörpermaterials kleiner 10 ppm/K ist.
3. Induktiver Näherungsschalter Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (7) als mehrlagige LTCC oder HTCC-Keramik ausgeführt ist.
4. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Empfangsspulen (4, 5) den gleichen
transformatorischen Koppelfaktor zur Sendespule (2) aufweisen.
5. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Spulenkörper (7) ein Kondensator (8) eingebettet ist.
6. Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (7) eine metallische
Vorbedämpfungsfläche (9) zur elektrischen Vorbedämpfung der zweiten
Empfangsspule (5) aufweist.
7. Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspule (5) in der Nähe der Spulenachse und die Empfangsspule (4) in einem Abstand zu Sendespule (2) angeordnet ist.
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