DE3319735A1

DE3319735A1 - Elektrostatischer annaeherungsschalter

Info

Publication number: DE3319735A1
Application number: DE19833319735
Authority: DE
Inventors: Fumio Kyoto Kamiya; Hisatoshi Kusatsu Shiga Nodera
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1982-05-31
Filing date: 1983-05-31
Publication date: 1983-12-08
Also published as: DE3319735C2; JPS58182336U; US4486811A

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft Annäherungsschalter, die die Nähe von Gegenständen ermitteln, ohne daß sie mit diesen einen Kontakt aufweisen. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen elektrostatischen Annäherungsschalter, .5 der Änderungen der elektrostatischen Kapazität ermittelt.

Es gibt mehrere Arten von Annaherungsschaltern, die nach ihren Arbeitsprinzipien klassifiziert werden können. Dabei arbeitet eine Schalterart, nämlich der die elektrostatische Kapazität ermittelnde Schalter, nach dem nachfolgend erläuterten Prinzip. Die Ermittlungselektrode ist zweckmäßigerweise an der Vorderseite des Schalters angeordnet. Wenn sich ein Gegenstand dieser Ermittlungselektroden nähert, ändert sich die elektrostatische Kapazität zwischen dem Ermittlurigselement und der Erde, ^iese Kapazitätsänderung wird durch einen elektrischen Kreis ermittelt und in ein Schaltsignal umgewan-

: delt.

Im Vergleich zu den anderen Arten von Annaherungsschaltern weist dieser elektrostatische Annäherungsschalter das bestimmte Merkmal auf, daß er nämlich in der Lage ist, nicht nur metal-Iisehe und Nicht-metallische Substanzen, sondern praktisch alle Substanzen, einschließlich Glas, Holz, Wasser, öle, Kunststoffe usw. zu ermitteln bzw. anzuzeigen. Dabei hängt die Arbeitsweise des elektrostatischen Annäherungsschalters bei der Ermittlung in hohem Maße von dem inneren Aufbau des Schalters und von der elektrostatischen Umgebung der Ermittlungselektrode ab.

Im Allgemeinen besteht das Gehäuse des Schalters aus einem Kunstharz, das die Form eines Zylinders aufweist, dessen eines Ende geschlossen ist. Die Ermittlungselektrode ist an der Innenseite des geschlossenen Endes angeordnet. Die Außenseite des geschlossenen Endes dos GnhcUiHoc wird die Ermittlungsoberfläche, an die sich Gegenstände annähern. Um der Ermittlungsoberfläche eine starke Richtwirkung zu verleihen, wird

die Rückseite der Ermittlungselektrode durch eine Schirmelektrode bedeckt. Der Bereich der Ermittlungselektrode und der Schirmelektrode wird als Ermittlungsbereich bezeichnet.

Außerdem ist in dem Gehäuse ein elektrischer Kreis ange-5 ordnet, der Kapazitätsänderungen ermittelt und Schalt-Eingangssignale bildet. Der restliche Raum in dem Gehäuse ist mit einem Harz, wie beispielsweise Epoxidharz ausgefüllt. Dieses Harz schützt den elektrischen Kreis usw. vor Vibrationen und schirmt das gesamte Gehäuse ab. Der elektrostatische Annäherungsschalter weist diese Grundstruktur auf. Bei einem herkömmlichen elektrostatischen Annäherungsschalter ist die oben genannte Ermittlungselektrode auf einer gedruckten Schaltungsplatte ausgebildet. Die Ermittlungselektrode besteht aus einer Kupferfolie, die auf einer mit einer Kupferplatte beschichteten gedruckten Schaltungsplatte in die genaue Form gebracht wird. Der gedruckte Kreis ist in dem Gehäuse derart angeordnet, daß seine die Elektrode bildende Oberfläche mit der Innenfläche des Gehäuseendes in Kontakt steht.

Eine herkömmliche gedruckte Schaltungsplatte verwendet als Substrat eine mit Glasfasern verstärkte Epoxidharzplatte. Diese Platte weist eine verhältnismäßig hohe Dielektrizitätskonstante auf, die in starkem Maße von Temperaturschwankungen abhängt. Bei einem herkömmlichen elektrostatischen Annäherungsschalter ist die Ermittlungselektrode nah an einem Substrat befestigt, das aus einem unstabilen Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante besteht. Die zuvor genannten Gründe sind die Ursache dafür, das die Empfindlichkeit bei der Ermittlung, die Auflösung und die Stabilität des Annäher uitgsschalters verringert werden.

Kurz gesagt, kann die durch einen sich annähernden ge~ testeten Gegenstand verursachte Kapazitätsänderung nicht groß sein, weil die Ermittlungselektrode zu nah an einem Substrat angeordnet ist, das eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist und instabil ist. Aus diesem Grunde ist auch eine im hohem Maße empfindliche Ermittlung bzw. Anzeige nicht möglich. Außerdem wird der Betrag der durch einen sich annähern-

φ ■ * · G

— 5 —

den Gegenstand bewirkte Betrag der Kapazitätsänderung in hohem Maße durch die Temperatur beeinflußt, weil die Dielektrizitätskonstante des Substrates sich in großem Maße mit der Temperatur ändert. Es kann daher keine hohe Auflösung erreicht werden und die Stabilität und Zuverlässigkeit werden verrinn : 5 gert..

Wenn als Substrat zum Aufdrucken der oben genannten Ermittlungselektrode ein Keramikmaterial oder Teflon verwendet wird, deren Dielektrizitätskonstanten bei Temperaturänderungen verhältnismäßig stabil sind, ist die schädliche Auswirkung der Temperaturänderung auf den Wirkungsgrad der Ermittlung verhältnismäßig klein. Da jedoch die oben genannten Substratmaterialien eine verhältnismäßig hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen und weil die Ermittlungselektrode nahe an dem Substrat ausgebildet ist -, können die Empfindlichkeit und die Auflösung nicht vergrößert werden. ^ Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin einen elektrostatischen Annäherungsschalter zu schaffen, der sowohl eine hohe Empfindlichkeit bei der Ermittlung als auch eine hohe Auflösung aufweist und der in Bezug auf Temperatur-Schwankungen stabile Charakteristiken besitzt.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen wie oben angegebenen elektrostatischen Annäherungsschalter mit einer hohen Leistung anzugeben, der in einer leicht zusammenbaubaren einfachen Struktur angeordnet ist.

Diese Aufgaben werden durch einen erfindungsgemäßen Schalter gelöst, bei dem die Ermittlungselektrode nicht auf der Oberfläche einer gedruckten Schaltungsplatte aufgedruckt

; ist. Statt dessen.ist die Ermittlungselektrode zu einer einzigen, aus einer Metallplatte bestehenden Einheit zusammengefaßt. Diese Ermittlungselektrode ist dadurch mit einer Schirmelektrode verbunden, daß isolierende Abstiindsteile örtlich eingreifen und daß die gesamte Struktur in einem Kunststoffgehäuse angeordnet ist.

Bei einer derartigen Struktur, die die zuvor genannten

Merkmale der Erfindung aufweist, gelangt keine eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisende Substanz in nahen Kontakt zur Ermittlungselektrode, so daß die Empfindlichkeit der Ermittlung, die Auflösung und die Stabilität verbessert werden. Andere und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung, den Figuren und den Patentansprüchen hervor. Bei der Anwendung der Erfindung in der Praxis ergeben sich zahlreiche Vorteile, auf die hier Tiicht Bezug genommen wird.
10

Fig. 1 zeigt den Aufbau des Hauptbereiches des elektrostatischen Annäherungsschalters.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform des elektrostatischen Annäherungsschalters.

Fig. 3 zeigt den Aufbau der Ermittlungselektrode, an der das Kreisteil befestigt ist.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt des elektrostatischen Annäherungsschalters. '

Die Fig. 1 zeigt den Hauptteil des Schalters, d.h. den Ermittlungsteil. Mit 10 ist die Ermittlungselektrode bezeichnet, die der Ermittlungsteil umfaßt. Dieser Ermittlungsteil 10 besteht aus einer Messingplatte und aus anderen Komponenten.

Das Bezugszeichen 11 bezeichnet die Schirmelektrode, die durch die Verarbeitung einer dünnen Metallplatte, wie beispielsweise einer Messingplatte, an einer Presse (Wickel- bzw. Windungsschritt) erhalten wird. Beide Seitenteile 11a der zylindrischen Seitenfläche der Schirmelektrode 11 sind derart flach ausgebildet, daß sie Vorsprünge 12 bilden. Wenn die Seitenteile 11a der Schirmelektrode 11 derart verarbeitet werden, wird der Raum für den elektrischen Kreis (elektronische Teile) in 5 keiner Weise schädlich beeinträchtigt. Diese Ausbildung ist auch vorteilhaft für die nachfolgend beschriebene Befestigung

der Abstandsteile und für das Verlöten an der Ermittlungselektrode 10. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Form der oben genannten Ausführungsform beschränkt. Die Schirmelektrode kann auch zylindrisch sein.

Die Bezugszeichen 13 bezeichnen Abstandsteile, die aus einem isolierenden Material bestehen, und die zwischen der Ermittlungselektrode 10 und der Schirmelektrode 1!.angeordnet sind. Diese Abstandsteile 13 weisen jeweils ein kleines Loch 13a auf, das den Vorsprüngen 12 entspricht. Ein Vorsprung 12 wird in das kleine Loch 13a eingeführt und durch Löten vorübergehend verbunden. Wenn die Fläche um das Loch verlötet ist, können die dichtenden Charakteristiken aufrecht erhalten werden. Außerdem kann der Bereich um das Loch herum im voraus mit Lötpaste bedruckt werden und der Zusammenbau kann ausgeführt werden, wie es später beschrieben werden wird.

Wenn jedoch das Abstandsteil 13 zwischen der Ermittlungselektrode 10 und der Schirmelektrode 11 angeordnet wird, müssen die beiden Oberflächen des Abstandsteiles 13 für das Verlöten der beiden Oberflächen zur Herstellung der Verbindung mit Kupfer plattiert sein. Alternativ kann auch eine Seite des Äbstandsteiles 13 kupferplattiert sein, während auf der anderen Oberfläche ein Kleber angewendet wird. Es können auch beide Seiten mit einem Kleber beschichtet sein. Es gibt viele Verfahren. Die Form der Abstandsteile zwischen den beiden Elektroden ist, wie dies zuvor bereits festgestellt wurde, klein und ihre Wirkung auf die Ermittlungsfunktion kann daher noch weiter verringert werden.

. Die Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung. In diesem Fall ist ein ringförmiges Abstandsteil zwischen der Ermittlungselektrode 10 und der zylindrischen Schirmelektrode angeordnet. Die Figuren 3 und 4 zeigen den Zustand, in dem das Kreisteil an dem oben beschriebenen Ermittlungsteil angeordnet ist, und den Längsten 1 dos elektrostatischen Annäherungsschalter!-». U je Emil tLJ.unyselektrode 10 weist die Schirmelektrode 11 und die» gedruckte-· Schalungsplatte 16 auf, auf dor das Kreisteil 15 anqeorclnet i.st und die

mit dem Anschlußteil 17 verbunden ist* Nachdem das Kabel 17 mit der gedruckten Schaltungsplatte 16 verbunden ist, werden die oben genannten Teile durch die öffnung des zylindrischen Kunststoffgehäuses, das ein Basisteil bzw. eine Basis besitzt, eingeführt und in dom Kunsüstoffgchäuse 18 angeordnet. Danach werden das Schaumharz 20 und das gewöhnlich nicht schäumende Harz 21, wie beispielsweise Epoxidharz, in das Gehäuse eingebracht. Wenn ein Schaumharz für die Räume in der Nähe des Ermittlungsteiles verwendet wird, das eine Dielektrizitätskonstante von etwa 1/10 aufweist, werden die Charakteristiken wesentlich verbessert. Es gibt viele Arten von Schaumharzen. Insbesondere sind mehr als 50 % bis 90 % von Polyuretanharzen gasartig und selbst dann wirksam, wenn sie im Bereich der Elekrode 10 verwendet werden, weil ihre Wirkung auf die Empfindlichkeit des Detektors minimal ist. In diesem Fall weisen die unabhängigen Schaumarten eine ausgezeichnete Dichtungsbzw. Versiegelungscharakteristik für das Epoxidharz 21 und andere auf. Außerdem sind Hartschaumkunststoffe wirksam gegen einen mechanischen Druck von außen auf das Gehäuse 19. Durch die Verwendung des Epoxidharzes 21 kann die Anordnung in Bezug auf die Zugkraft des Kabels 18 und auf den mechanischen Druck von außen verbessert werden. Wenn das Material des Gehäuses 19 Epoxidharz, ABS, usw. ist, werden im Zusammenhang mit dem zylindrischen Gehäuse mit der Basis eine Klebekraft, Wasserdichtigkeit usw.

bewirkt. Mit 22 sind ein Deckel und ein Kabelhalteteil· bezeichnet.

Wie dies oben bereits erläutert wurde, besteht der Annährungsschalter lediglich aus einer Metallplatte, wie beispielsweise einer Messingplatte usw. als Ermittlungselektrode. Da die isolierenden Abstandsteile zwischen der Metallplatte und der Schirmelektrode angeordnet werden, kann die durch das Basismaterial bewirkte Restkapazität im Vergleich zu Annäherungsschaltern, die herkömmliche gedruckte Schaltungsplatten als ein Material verwenden, in hohem Maße verringert werden.

5 Aus diesem Grunde kann der Änderungsbetrag der Ermittlung dioser Erm.it 1:1 unqtjclektrodo verbessert werden, weshalb auch

— 9 —

die Ermittlungsfunktibn im allgemeinen im hohem Maße verbessert wird. Außerdem ermöglicht der erfindungsgemäße Näherungsschalter eine stabile Ermittlung bzw. Anzeige, weil er keine gedruckte Schaltungsplatte mit einer Dielektrizitätskonstanten verwendet, die sich mit der Temperatur ändert.

Wie dies oben festgestellt wurde, werden außerdem, wenn das hintere Ende des Kunststoffgehäuses mit einem Schaumharz gefüllt wird und wenn die anderen Räume in dem Gehäuse ebenfalls mit einem Schaumharz gefüllt werden, der Aufbau und der Zusammenbau des Schalters einfach. Die Herstellungskosten
können reduziert werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind viele unterschiedliche Ausführungsformen möglich.

Lee" /ferse

te

Claims

PATENTANWÄLTE

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS EUROPÄISCHE PATENTVERTRETER

MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEENS

DR. ROLF E. WILHELMS DR. HELMUT KILIAN

GEIÖELSTRASSE 6

8000 MÜNCHEN 80

TELEFON (0S9) 47 40 73* TELEX 52 34 67 (wilp-d) TELEGRAMME PATRANS MÜNCHEN TELECOPIER .gr. 2 (089)222 066

P 1681-DE

Oiiirpn Tateiai Electronics Co.
Kyoto - Japan

Elektrostatischer Annäherungsschalter

,Priorität: 31. Mai 1982 - Japan - Nr. 80132/1982 (GM)

Patentansprüche

\%J Elektrostatischer Annäherungsschalter mit einer Erinlttlungselektrode, dadurch gekennzeichnet , daß eine die Rückseite der Ermittlungselektrode (10) abdeckende Schirinelektrode (11) und ein elektrischer Kreis (15) vorge- -sehen" sind, daß der elektrische Kreis (15) die Kapazitätsändßrung zwischen der Ermittlungselcktrode (10) und Masse

■ ^ritvittelt, daö die Ermltplungselektrode (10), die Schirmelek- · trode (11) und der elektrische Kreis (Tj) Ln einem Kunststoffgehäuse

_:.Π9) angeordnet sind, daß die Ermittlungselektrode (10) aus

einer einzigen Metallplatte besteht und daß isolierende Abstandsteile (13) örtlich zwischen der Ermittlungselektrode (10) und der Abschirmelektrode (11) angeordnet sind.
2. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Schirmelektrode (11) eine zylindrische Form aufweist, daß die isolierenden Abstandsteile (13) aus kleinen Teilen bestehen,und daß diese Teile als eine Einheit zwischen einem Ende der Schirmelektrode (11) und der hinteren Fläche der Ermittlungselektrode (10) angeordnet sind.
3. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektrode (11) .eine zylindrische Form aufweist und daß die isolierenden Abstandsteile (14) die Form einer einzigen, ringförmigen Einheit aufweisen, die zwischen einer Endfläche und der hinteren Fläche der Ermittlungselektrode (10) angeordnet ist.
4. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß in den Raum, in dem in dem Kunststoffgehäuse die Ermittlungselektrode (10) und die . Schirmelektrode (11) angeordnet sind, ein Schaumharz eingefüllt ist.