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Die
Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einem zumindest
eine erste Sendespule und zumindest eine Empfangsspule tragenden
Spulenträger
und mit einem zum Spulenträger beabstandet
angeordneten elektrisch leitenden Schirm.
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Die
DE 10122741 A1 beschreibt
einen Detektor zur Ortung metallischer Gegenstände. Der Detektor weist eine
Empfangsspule und eine Sendespule auf. Die beiden Spulen sind koaxial
einander zugeordnet.
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Aus
der
DE 3225166 A1 ist
ein Metalldetektor bekannt, bei dem zwei Sendespulen vorgesehen sind,
die gegensinnig von einem Wechselstrom durchflossen werden. Die
beiden Sendespulen werden von demselben Wechselspannungsgenerator bestromt.
Zwischen den beiden Sendespulen ist eine Empfangsspule angeordnet.
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Aus
der
DE 10318350 B3 sind
verschiedene Ausführungsbeispiele
von Näherungsschaltern
bekannt, bei denen eine Sendespule mit einer oder mehreren Empfangsspulen
kombiniert ist.
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Aus
der
DE 10039619 A1 ist
ein induktiver Näherungsschalter
bekannt, welcher mehrere Wicklungen enthält, die elektromagnetisch miteinander verbunden
sind. Eine Wicklung ist auf einer Seite eines Ferrittopfes angebracht.
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Zur
Abschirmung der Spulenanordnung werden im Stand der Technik metallisch
beschichtete Platten oder Metallplatten vorgesehen, die mit Abstand
aber parallel zur Spulenebene im Gehäuse des Näherungsschalters angeordnet
sind. Diese metallbeschichteten Leiterplatten bzw. Metallplatten
bilden einen Schirm aus, welcher elektromagnetisch mit dem Spulensystem
derart zusammenwirkt, dass der Schaltabstand bzw. die Richtcharakteristik
des Näherungsschalters
im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt, wenn der Näherungsschalter in einer metallischen Umgebung
montiert wird, also insbesondere auf eine metallische Oberfläche aufgesetzt
wird.
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Die
Lage des Schirms innerhalb des Gehäuses ist in Bezug auf die Richtcharakteristik
bzw. den Schaltabstand des Näherungsschalters
kritisch. Bereits geringe Abstandsänderungen zwischen Spulenträger und
Schirm führen
zu einer Veränderung
des Schaltabstandes. Derartige Abstandsänderungen können durch Temperatureinflüsse hervorgerufen werden.
Sie können
aber auch durch Beschleunigungen oder andere Kräfte hervorgerufen werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Näherungsschalter
robuster und insbesondere temperaturstabiler zu machen.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung,
wobei jeder Anspruch eine eigenständige Lösung der Aufgabe darstellt
und mit jedem anderen Anspruch in beliebiger Weise kombinierbar
ist.
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Zunächst und
im Wesentlichen ist eine Ergänzungsspule
vorgesehen. Diese Ergänzungsspule soll
fest mit dem Schirm verbunden sein. Bewegt sich der Schirm oder
durchbiegt sich der Schirm, so vollzieht die Ergänzungsspule die gleiche Bewegung. Die
Ergänzungsspule
wird von einer die Spulenanordnung mit einem Wechselspannungssignal
versorgenden Schaltung ebenfalls mit einem Wechselspannungssignal
beaufschlagt oder ist in den Empfangsspulenkreis geschaltet. Die
Verlagerung der Ergänzungsspule
zusammen mit einer entsprechenden Verlagerung des Schirmes führt somit
zu einer Kompensation der feldbeeinflussenden Wirkung der Schirmverlagerung.
Die Ergänzungsspule
kann hierzu ein Kompensationsfeld aufbauen, das zu dem von der Sendespule erzeugten
Sendefeld proportional ist. Die Ergänzungsspule kann mit zumindest
einer von mehreren oder einer einzigen Sendespule in Reihe geschaltet
sein. Es ist ein gleichgerichteter Wicklungssinn vorgesehen. Der
Näherungsschalter
kann zwei Sendespulen aufweisen, die mit entgegengesetztem Wicklungssinn
in Reihe geschaltet sind. Die Spulen können koaxial zueinander angeordnet
sein. Der Wicklungssinn der Ergänzungsspule
ist dann vorzugsweise zum Wicklungssinn der innenliegenden Sendespule
gleichgerichtet. Die Ergänzungsspule
ist bevorzugt koaxial zur Sendespule angeordnet. Von der zumindest
einen Sendespule wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt.
Dieses soll sich vor der Sensorfläche des Näherungsschalters aufbauen.
Es soll durch Annähern
eines metallischen Auslösers
beeinflusst werden. Das Feld wird von einer Empfangsspule ausgewertet.
Das von der Empfangsspule empfangene elektromagnetische Wechselfeld
enthält
die von dem elektrisch leitenden Auslöser erzeugte Beeinflussung.
Die in der Empfangsspule geänderte
induzierte Spannung wird von einer Auswerteschaltung ermittelt.
Der auf der der Sensorfläche
gegenüberliegenden
Seite angeordnete Schirm besteht ebenfalls aus einem elektrisch
leitfähigen
Material, nämlich
bevorzugt aus einer Beschichtung einer Platine. Der Schirm hat im
wesentlichen dieselbe elektromagnetische Wirkung auf das von der
Sendespule erzeugte Sensorfeld wie ein metallischer Auslöser. Der
Unterschied besteht lediglich darin, dass die Wirkung des Schirmes
permanent ist. Die Beeinflussung des Schirmes erfolgt durch ein vom
Schirm aufgebautes elektromagnetisches Gegenfeld. Das elektromagnetische
Sendefeld induziert im Schirm Spannungen. Diese Spannungen erzeugen
dort Wirbelströme.
Das von den Wirbelströmen erzeugte
Wirbelfeld ist entsprechend der Lenzschen Regel dem die Wirbelströme erzeugenden
Sendefeld entgegengerichtet. Die Aufgabe des von der Ergänzungsspule
aufgebauten Feldes ist eine weitestgehende Kompensation dieses Wirbelfeldes,
so dass das Sendefeld weniger von dem Schirm beeinflusst wird. Thermisch
oder anderweitig bedingte Verlagerungen oder Verformungen des Schirmes
haben dadurch eine verminderte Wirkung, da die Ergänzungsspule
fest mit dem Schirm verbunden ist, also die geringfügigen Bewegungen
oder Verformungen des Schirmes mitmacht. In einer Weiterbildung
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ergänzungsspule in den Empfangsspulenkreis
geschaltet ist. Die Ergänzungsspule
kann auch hier mit der Empfangsspule in gleichgerichtetem Wicklungssinn
in Reihe geschaltet sein. Die Spulenfläche verläuft auch hier koaxial und parallel
zur Spulenfläche
der Empfangsspule. Sämtliche
Spulen, also die beiden Sendespulen, die Empfangsspule und die Ergänzungsspule
können
Planarspulen sein. Sie können
auf Leiterplatten angeordnet sein. Bevorzugt besitzt der Näherungsschalter
zwei Spulen tragende Leiterplatten, nämlich einerseits den Spulenträger, der
die Sendespulen und die Empfangsspule trägt und andererseits den Schirmträger, der
auf der einen Seite den Schirm in Form einer Kupferbeschichtung
und auf der anderen Seite die Ergänzungsspule als Planarspule
trägt.
Die Ergänzungsspule
liegt bevorzugt auf der zum Spulenträger weisenden Seite des Schirmes.
Die Sendespulen sind bevorzugt als Differenzspulen geschaltet. Auf diese
Weise können
durch eine geeignete Wahl der Windungszahlen bzw. der Stromstärken durch
die Windungen Felder erzeugt werden, die sich im Bereich der Empfangsspule
aufheben oder die sich im Bereich einer metallischen Gehäusewandung
aufheben. Die innen liegende Sendespule hat bevorzugt mehr Windungen
als die außen
liegende Sendespule. Letztere kann lediglich eine Windung besitzen. Das
Gehäuse
kann mit einer Kunststoffmasse ausgefüllt sein. Diese Vergussmasse
führt zu
einer mechanisch stabilen Lage des Spulenträgers in Bezug auf den Schirmträger. Lageveränderungen
aufgrund thermischer Ausdehnung sind nicht zu vermeiden. Die damit
einhergehenden Effekte werden aber durch die dem Schirmträger zugeordnete
Ergänzungsspule
weitestgehend kompensiert. Anstelle von Planarspulen können aber
auch herkömmliche,
auf einen Spulenkörper
gewickelte Spulen verwendet werden. Der Spulenträger kann beispielsweise einen Aufbau
besitzen, wie ihn die
DE
4031252 C1 beschreibt. Die mit den dort dargestellten Spulen
zusammenwirkende Schaltung kann ebenfalls bei einem entsprechend
der Erfindung ausgestalteten Näherungsschalter
verwendet werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es
zeigen
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1 in
einer grob schematischen dreidimensionalen Darstellung im Halbschnitt
den Aufbau eines Näherungsschalters;
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2 in
schematischer Schnittdarstellung die Anordnung der Spulen;
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3 die
Draufsicht auf einen Spulenträger;
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4 ein
erstes Schaltungsbeispiel;
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5 ein
zweites Schaltungsbeispiel;
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6 ein
drittes Schaltungsbeispiel;
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7 ein
viertes Schaltungsbeispiel;
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8 ein
fünftes
Schaltungsbeispiel und
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9 ein
sechstes Schaltungsbeispiel.
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Mit
der Bezugsziffer 11 ist in der 1 eine Metallplatte
oder ein metallisches Maschinen-Gehäuse dargestellt, auf welcher
bzw. auf welchem ein Näherungsschalter
mit seinem Gehäuse 8 befestigt werden
kann. Ein Gehäuseboden 10 liegt
dann plan auf der Metallplatte 11 auf. Beim Ausführungsbeispiel trägt der Boden 10 zusätzlich eine
Auswerteschaltung 9, die grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt
ist. Parallel zum Boden 10 erstreckt sich ein Schirmträger 6,
der von einer Platine ausgebildet ist. Auf der zum Boden 10 weisenden Seite
des Schirmträgers 6 ist
die den Schirmträger 6 ausbildende
Platine mit einer Kupferschicht beschichtet. Diese bildet einen
Schirm 5. Die dem Schirm 5 gegen-überliegende
Seite der den Schirmträger 6 bildenden
Platine ist mit einer Planarspule 4 versehen. Parallel
und mit einem Abstand zum Schirmträger 6 ist in dem zylinderförmigen Gehäuse 8 eine
weitere Platine 7 angeordnet, die einen Spulenträger bildet.
Auf dem Spulenträger
sind insgesamt drei Planarspulen angeordnet. Eine innere Spule 1 bildet
eine erste Sendespule. Eine diese innere Spule 1 umgebende
zweite Spule 3 bildet eine Empfangsspule. Eine die Empfangsspule 3 umgebende
weitere Spule bildet eine zweite Sendespule 2. Die zweite
Sendespule 2 besitzt lediglich eine Windung. Die innenliegende
erste Sendespule 1 besitzt insgesamt fünf Windungen. Die dazwischen
liegende Empfangsspule 3 besitzt vier Windungen.
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Die äußere Sendespule 2 wird
zusätzlich noch
von einem Ringschirm 12 umgeben.
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Der
Aufbau dieser Planarspulen 1, 2, 3 wird in
der 3 im Detail dargestellt.
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In
der 4 wird ein erstes Schaltungsbeispiel dargestellt.
Die beiden Sendespulen 1, 2 sind mit entgegengesetztem
Wicklungssinn in Reihe geschaltet und werden von einem Wechselspannungsgenerator 14 mit
einer mehrere MHz betragenden Wechselspannung bestromt. In den Sendespulenkreis
ist zusätzlich
noch die Ergänzungsspule 4 geschaltet.
Diese Ergänzungsspule 4 ist
mit der ersten Sendespule 1, die sich im Zentrum auf dem
Spulenträger 7 befindet,
gleichgerichtet geschaltet.
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Die
zwischen den beiden Sendespulen 1, 2 angeordnete
Empfangsspule 3 ist mit einer Auswerteschaltung 15 verbunden.
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Bei
dem in 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel bildet die Sendespule 1 zusammen mit
der entgegengerichtet geschalteten Sendespule 2 und mit
der zur ersten Sendespule 1 gleichsinnig geschalteten Ergänzungsspule 4 und
einem Kondensator einen Schwingkreis. In dem von diesem Schwingkreis
erzeugten elektromagnetischen Wechselfeld sitzt die Empfangsspule 3.
Das Empfangsspulensignal wird über
einen Verstärker 16 verstärkt und wieder
in den Schwingkreis zurückgekoppelt.
Abhängig
von einer Beeinflussung des von den Sendespulen 1, 2 erzeugten
elektromagnetischen Wechselfeldes schwingt der Schwingkreis oder
ruht der Schwingkreis. Ein entsprechendes Signal wird von der Auswerteschaltung 15 abgegeben.
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Wie
bei dem zuvor erörterten
Ausführungsbeispiel
liegt auch bei dem in der 6 dargestellten dritten
Ausführungsbeispiel
die Ergänzungsspule 4 in einem
Abstand zu den Sendespulen 1, 2. Die Ergänzungsspule 4 ist
auch koaxial zu den koaxial zueinander angeordneten Spulen 1, 2, 3 angeordnet.
Die Schaltung besitzt einen Verstärker 16, dessen Ausgang
mit den in Reihe geschalteten Sendespulen 1, 2 und
der Ergänzungsspule 4 verbunden
ist. Die Empfangsspule 3 geht auf den Eingang des Verstärkers 16.
Mit dem Potentiometer 17 kann der Schaltabstand eingestellt
werden. Es erfolgt eine Trimmung dahingehend, dass der Schwingkreis
anschwingt, sobald ein metallischer Auslöser in den Schaltabstand gebracht
wird oder ein im Normalfall schwingender Schwingkreis aufhört zu schwingen,
wenn der metallische Auslöser
in den Schaltabstand gebracht wird.
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Bei
dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ergänzungsspule 4 in
Serie zur Empfangsspule 3 geschaltet. Die Ergänzungsspule 4 ist gleichsinnig
zu der Empfangsspule 3 geschaltet. Der Aufbau entspricht
auch hier wieder den 1 und 3.
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Bei
dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich
um eine Schaltung ähnlich des
in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels. Hier sitzt
die Ergänzungsspule 4 jedoch
in dem Empfangsspulenkreis und ist mit der Empfangsspule 3 in Reihe
geschaltet.
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Bei
dem in 9 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiel, welches im
Wesentlichen dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel
entspricht, ist die Ergänzungsspule 4 in
Reihe zur Empfangsspule 3 geschaltet.
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Die 2 zeigt
den schematischen Aufbau der Spulenanordnung. Auf einem Spulenträger 7,
der von einer Platine ausgebildet ist, sind insgesamt drei Spulen 1, 2, 3 als
Planarspulen angeordnet. Eine innenliegende erste Sendespule 1 ist
von einer in der Mitte liegenden Empfangsspule 3 umgeben.
Die Empfangsspule 3 wird von einer zur Sendespule 1 gegensinnig
bestromten zweiten Sendespule 2 umgeben.
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Alle
Spulen 1, 2, 3 liegen koaxial in Bezug auf
eine Achse 13 zueinander. Diese Achse 13 bildet auch
eine Symmetrieachse betreffend eine Ergänzungsspule 4, die
einen axialen Abstand zur Platine 7 ausbildet. Dem Spulenträger 7 ist
ein Schirmträger 6 beabstandet.
Die den Schirmträger 6 ausbildende Platine
verläuft
parallel zur Platine 7. Sie trägt auf der zum Spulenträger 7 zugewandten
Seite eine Ergänzungsspule 4.
Auch hier kann es sich um eine Planarspule handeln. Wie aus den
Bezeichnungen der Spulenquerschnitte hervorgeht, ist die Ergänzungsspule 4 sowohl
gleichsinnig zur Sendespule 1 als auch gleichsinnig zur
Empfangsspule 3 gewickelt. Die Beschaltung erfolgt gemäß einem
der zuvor erörterten Ausführungsbeispiele.
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Auf
der von dem Spulenträger 7 abgewandten
Seite des Schirmträgers 6 befindet
sich eine vollflächige
Kupferbeschichtung 5. Diese wirkt als Schirm.
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Ein
von der Sendespule 1 erzeugtes elektromagnetisches Wechselfeld
erzeugt innerhalb des Schirmes 5 zufolge der dort induzierten
Spannung Wirbelströme.
Grob vereinfacht haben die Wirbelströme eine Wirkung, die einer
Spule entspricht. Zur Verdeutlichung ist deshalb auf der beschichteten
Seite des Schirmträgers 6 gestrichelt
eine Spule dargestellt. Hiermit sollen die Wirbelströme verdeutlicht werden.
Zur Kompensation des von dieser virtuellen Spule erzeugten elektromagnetischen
Wechselfeldes dient die Ergänzungsspule 4.
Indem diese gegensinnig zu den Wirbelströmen bestromt ist, erzeugt sie
ein entgegengesetztes Wechselfeld, das aber zu dem von der Sendespule 1 erzeugten
Wechselfeld gleichgerichtet ist.
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Die
Ergänzungsspule 4 ist
fest mit dem Schirm verbunden. Bewegt sich der Schirm 5 aufgrund
einer thermischen oder mechanischen Belastung beispielsweise in
Richtung des in 2 dargestellten Doppelpfeils,
so wird die Ergänzungsspule 4 mit
bewegt. Die Kompensationswirkung erfolgt also in Richtung der Störwirkung,
so dass sich die Störwirkung
im Wesentlichen aufhebt.
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Die
Annäherung
eines Schirmes 5 an die Spulenanordnung 1, 2, 3 hat
ohne Vorhandensein der erfindungsgemäßen Ergänzungsspule 4 die
Wirkung, dass der Schaltabstand vergrößert wird. Die Annäherung der
Ergänzungsspule 4 an
die Spulenanordnung 1, 2, 3, hat dabei
eine gegenteilige und somit kompensierende Wirkung. Diese gegenteilige Wirkung
tritt nicht nur ein, wenn die Ergänzungsspule 4 Teil
des Sendestromkreises ist. Die kompensierende Wirkung tritt auch
ein, wenn die Ergänzungsspule 4 Teil
des Empfangsspulenkreises ist.
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Das
Gehäuse
kann mit Kunststoff vergossen sein. Alle Spulen sind um eine gemeinsame
Achse 13 koaxial angeordnet. Der Schirmträger kann
an seinem Rand am Gehäuse
befestigt sein. Der mittlere Bereich des Schirmträgers trägt die Ergänzungsspule 4.
Die Ergänzungsspule 4 ist
derartig mit dem Schirmträger 6 bzw.
dem Schirm 5 verbunden, dass Relativbewegungen des Schirmes
zu entsprechenden Relativbewegungen der Ergänzungsspule 4 führen. Es
liegt somit eine Verlagerungskopplung vor. Zwischen Schirmträger 6 bzw.
Schirm 5 und Ergänzungsspule 4 besteht
eine bewegungsfeste Verbindung.
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Die
Ergänzungsspule
4 kann
auch auf einem, aus einem Isolator oder aus einem Ferritmaterial
bestehenden Spulenkörper
gewickelt sein. Dieser Spulenkörper
ist dann fest mit dem elektrisch leitenden Schirm
5 verbunden.
Der Spulenträger
7 kann ebenfalls
von einem Isolationskörper
gebildet sein, welcher gewickelte Spulen trägt. Der Spulenkörper kann
aber auch von einem Ferrittopf gebildet sein, wie er von der
DE 4031252 C1 beschrieben
ist. Dieser Spulenkörper
kann die beiden als Differenzspulen geschalteten Sendespulen tragen.
Die Sendespulen können
einen axialen Abstand voneinander besitzen. Der Spulenträger kann
darüber
hinaus auch die Empfangsspule tragen. Die Sendespulen und die Empfangsspule
können
Teil einer Schaltung sein, wie sie von der
DE 4031252 C1 beschrieben wird.
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Alle
offenbarten Merkmale sind (für
sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird
hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.