DE3619238C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen auf einen sich annähernden Auslöser ansprechenden Näherungsschalter, mit einem HF- Schwingkreis, für dessen Schwingungsmagnetfeld ein ge­ schlossener Kern vorgesehen ist, welcher mindestens einen sättigungsempfindlichen Bereich aufweist, und mit einer Auswertschaltung, die die von dem Grad der Kern­ sättigung abhängige Schwingungsamplitude erfaßt und bei Unterschreiten bzw. Überschreiten eines bestimmten Amplitudengrenzwertes einen Schaltvorgang auslöst.

Derartige Näherungsschalter sind mit direkter (DE-OS 32 44 507) und auch mit indirekter (DE-PS 32 36 224) magnetischer Aus­ lösung bekannt, wobei unter direkter Auslösung ein Ansprechen auf einen sich annähernden Magneten und unter indirekter Auslösung ein Ansprechen auf einen sich annähernden Auslöser aus permeablem Material verstanden wird. Sie zeichnen sich insbesondere dadurch aus, daß sie auch durch nicht oder nur schwach ferromagnetische Wände hindurch auf den Auslöser ansprechen und so beispielsweise zur Positionserfassung des Kolbens bei hydraulischen Zylindern gut geeignet sind.

Allerdings ist der Ansprechabstand solcher magnetisch aus­ lösbarer Näherungsschalter - ähnlich wie bei den durch den Wirbelstrom-Metallstück auszulösenden elektronischen Näherungsschaltern (DE-OS 17 62 565 und DE-PS 19 24 279) - auf im allgemeinen 10 bis 25 Millimeter begrenzt. Zur Erzielung dieser größeren Schaltabstände muß allerdings die Elektronik der Auswertschaltung schon sehr empfindlich ausgelegt werden, wodurch aber in zunehmendem Maße die Gefahr besteht, daß der Näherungsschalter durch Fremd­ einflüsse, z.B. temperaturbedingte Einflüsse, Fehlschaltungen vornimmt bzw. nicht mehr bei dem vorgesehenen Sollabstand schaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungs­ gemäßen Näherungsschalter mit einem in erhöhtem Maße an­ sprechempfindlichen HF-Schwingkreis zu versehen, so daß entweder größere Schaltabstände erreichbar sind bzw. bei üblichen Schaltabständen eine wesentlich unempfindlichere Auswertelektronik vorgesehen werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der sättigungsempfindliche Bereich des Kernes an seiner der Schwingkreis-Spule abgewandten Seite mit einer elektrisch leitenden Wirbelstrom-Metallschicht oder -Metallfolie versehen ist.

Solange der Kern an seinem sättingsempfindlichen Bereich nicht gesättigt ist, bleibt das HF-Schwingungsfeld im Kern eingeschlossen und klingt die Schwingung nur langsam ab bzw. bleibt im Falle eines HF-Oszillators aufrechterhalten. Wird jedoch durch ein zusätzliches Magnetfeld der sättigungs­ empfindliche Bereich in die Sättigung getrieben, tritt das HF-Schwingungsfeld nunmehr als Streufeld aus dem Kern aus und durchdringt die außen am Kern vorgesehene leitende Metall­ schicht bzw. Metallfolie, in der hohe Wirbelströme induziert werden. Durch die starken Wirbelstromverluste wird der Schwing­ kreis bzw. der Oszillator in einem erhöhtem Maße bedämpft, so daß die Schwingungsamplitude rasch den Grenzwert unter­ schreitet und folglich ein Schaltvorgang ausgelöst wird.

Wie praktische Erprobungen gezeigt haben, erlangen gattungs­ gemäße Näherungsschalter, die für 15 bzw. 25 Millimeter Schaltabstand ausgelegt sind, allein durch Anbringung einer dünnen Aluminiumfolie auf der Außenseite des sättigungs­ empfindlichen Bereiches Schaltabstände von nunmehr 25 bzw. 40 Millimetern.

Ein Schaltabstand von 25 Millimetern ist ein oft geforderter Anwendungsfall, und für diesen Anwendungsfall kann der Erfindung zufolge nunmehr ohne besonderen Aufwand ein Näherungsschalter angeboten werden, der in einem Temperatur­ bereich von etwa -50°C bis 100°C störungsfrei arbeitet. Von weiterem Vorteil ist, daß der Versorgungsstrom des Näherungs­ schalters sehr gering ist, z.B. bei Verwendung eines Oszillators zwischen 0,1 bis 5 mA, oder bei nur taktweise angeregtem Schwingkreis lediglich ein Bruchteil der vorgenannten Strom­ werte. Der Erfindung zufolge ist ferner vorgesehen, daß die Wirbelstrom-Metallschicht aus einem nichtpermeablen Material, z.B. aus Aluminium oder Kupfer, besteht.

Der Näherungsschalter nach der Erfindung kann in unterschied­ lichen Ausführungsformen gebaut werden, die in den Unter­ ansprüchen näher gekennzeichnet und anhand der Zeichnung näher beschrieben sind.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines gattungsgemäßen Näherungsschalters gemäß einer ersten Aus­ führungsform,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Jochstück in Richtung des Pfeiles I in Fig. 1 gesehen,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines bei der Ferritkernanordnung verwendbaren Schalen­ kernes,

Fig. 4, 5 und 6 Skizzen zur Veranschaulichung des L-Gliedes des Schwingkreises,

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform, bei der der Aus­ löser ein permeables magnetisches Kurzschluß­ joch ist,

Fig. 8 eine dritte Ausführungsform, bei der der Aus­ löser ein permeables Flußleitstück ist und

Fig. 9 eine abgewandelte Ausführungsform des L-Gliedes des Schwingkreises.

Fig. 1 zeigt in Blockbilddarstellung einen elektronischen Näherungsschalter aus HF-Schwingkreis 1, der vorzugsweise Teil eines Oszillators ist, Auswertstufe 2, Schaltver­ stärker 3 und Schaltglied 4, wobei letzteres einen Thyristor aufweist.

Bei dem Schwingkreis 1 ist die Spule 5 in einem sogenannten Schalenferritkern 6 angeordnet (vgl. auch Fig. 3), welcher durch ein Jochstück 7 (vgl. auch Fig. 2) an der offenen Seite geschlossen ist. Die Spule 5 enthält im Falle einer Oszillatorschaltung für den Schwingkreis auch die Rück­ kopplungswicklung. Das Jochstück 7, das bei den Ausführungs­ formen nach den Fig. 1 bis 8 aus Ferrit besteht, weist in seinem den Schalenkern 6 abdeckenden mittleren Bereich eine Querschnittseinengung 8 auf und besitzt über diesen mittleren, sättigungsempfindlichen Bereich 9 hinausragende Verlängerungen 10, mit denen es im verstärkten Maße das Magnetfeld eines sich annähernden Auslösemagneten 11 er­ fassen kann. Im Bereich der Querschnittseinengung beträgt die Dicke des Jochstückes etwa 0,3 bis 0,6 Millimeter.

Wie insbesondere aus den vergrößerten Darstellungen der Fig. 2, sowie 4 bis 6 ersichtlich ist, trägt das Jochstück 7 an seinem sättigungsempfindlichen Bereich an der der Spule 5 abgewandten Seite eine Metallschicht 12, bei der es sich beispielsweise um eine aufgeklebte Folie aus Aluminium oder Kupfer handeln kann.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 6 schwingt der Schwingkreis 1, bzw. die Oszillatorstufe, - bei ab­ wesendem Auslösemagneten 11 - mit der normalen Resonanz­ frequenz, wobei das HF-Schwingungsfeld in der anhand Fig. 4 veranschaulichten Weise in dem aus Schalenkern 6 und Jochstück 7 bestehenden Ferritkern 6/7 eingeschlossen bleibt. Der Magnetfluß verläuft dabei durch den sättigungsempfind­ lichen Bereich 9 an der Querschnittseinengung 8 hindurch. Die Magnetkernanordnung ist so getroffen, daß kein merk­ liches Streufeld auftritt.

Bei Annäherung des Auslöser-Magneten 11, die entweder frontal (Doppelpfeil "F" oder seitlich (Doppelpfeil "S") erfolgen kann, wird in dem Jochstück 7 ein zusätzlicher Magnetfluß induziert, der ebenfalls durch die Einengungsstelle 8 hindurch verläuft und sich zumindest in einem Teilbereich 81 der Querschnittseinengung mit dem HF-Schwingungsfeld über­ lagert (Fig. 5). Ab einer gewissen Annäherung erfährt die Querschnittseinengung zunächst im Überlagerungsbereich 81 der jeweils gleich gerichteten Magnetflüsse und danach im gesamten sättigbaren Bereich 9 eine magnetische Sättigung, was in Fig. 6 durch den schraffierten Bereich 82 der Quer­ schnittseinengung 8 angedeutet ist. In diesem Sättigungs­ bereich tritt das HF-Schwingungsfeld zunehmend als Streufeld 13 auf. Dieses Streufeld durchsetzt zwangsläufig die in nur wenigen Zehntel Millimeter Abstand vor der Spule 5 bzw. dem Schalenkern 6 befindliche, gut leitende Metallschicht 12, in der infolgedessen starke Wirbelströme induziert werden, was schlagartig zu einer starken Bedämpfung des Schwing­ kreises 1 führt. Über die Auswertschaltung wird diese Bedämpfung erfaßt und zur Auslösung eines Schaltvorganges beim Schaltglied 4 ausgenutzt.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 6 wird der Näherungsschalter direkt durch einen sich bewegenden Auslöser- Magneten 11 bestätigt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist ein Dauermagnet 14 unter Zwischenschaltung beispielsweise einer Kunststoff­ platte 15 innerhalb eines Gehäuses 16 vor der ansprech­ empfindlichen Seite des Ferritkernes 6, 7 angeordnet.

In der Grundstellung verläuft ein ausreichender Teil 18 a des Magnetfeldes 18 a und 18 b durch das Joch 7, um den Einengungsbereich 8 in Sättigung zu halten, so daß das HF-Feld in die Wirbelstromschicht 12 eindringt und der Schwingkreis stark bedämpft ist.

Dem Näherungsschalter ist als Auslöser ein permeables, magnetisch parallel zur Einengungsstelle 8 ausgerichtetes Kurzschlußjoch 17 zugeordnet, das einen bei Annäherung an den Dauermagneten 14 zunehmenden Magnetfeldanteil 18 b aufnimmt, bis es die Pole NS so stark kurzschließt, daß der verbleibende Magnetfeldteil 18 a nicht mehr ausreicht, um die Sättigung im Bereich der Querschnittseinengung 8 auf­ recht zu erhalten. Damit wird die Wirbelstrom-Metallschicht 12 wieder gegenüber dem HF-Feld abgeschirmt, so daß durch Anschwingen bzw. Erhöhung der Schwingungsamplitude ein Schaltvorgang ausgelöst wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt über das permeable Joch 17 eine indirekte magnetische Auslösung des Schalters durch Entdämpfung.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist auf die Ansprech­ seite des Ferritkernes 6, 7 ein Dauermagnet 19 gesetzt, dessen Magnetfluß durch die Einengungsstelle 8 in die Verlängerungen 9 und 10 des Joches 7 hindurch verläuft und sich im übrigen auf einer weiten Luftstrecke 20 schließt.

Beim Magneten 19 handelt es sich beim gezeigten Ausführungs­ beispiel um einen kurzen Stabmagneten, der mit einem Polende S unmittelbar auf das Jochstück 7 aufgesetzt ist. Dieser Dauermagnet 19 ist derart bemessen, daß in der Grundstellung sein Feld nicht ausreicht, um den Ferritkern im Bereich der Einengung 8 in Sättigung zu treiben. Das HF-Feld fließt folglich durch die Einengungsstelle 8 hindurch, und der Schwingkreis schwingt normal, d.h. ohne Dämpfung durch die Wirbelstrom-Metallschicht 12.

Als Auslöser ist dem Näherungsschalter nach Fig. 8 ein permeables Leitstück 21 zugeordnet, das magnetisch in Reihe mit der Einengungsstelle 8 und dem Dauermagneten 19 geschaltet ist. Dieses Leitstück 21 fängt das Magnetfeld des Dauermagneten 19 mit zunehmehmender Annäherung stärker ein und setzt schließlich den Luftstreckenwiderstand so weit herab, daß sich im Bereich der Querschnittseinengung 8 ein solch ver­ stärkter Magnetfluß ergibt, daß dort eine Kernsättigung erfolgt. Damit wird die Metallschicht 12 quasi eingeblendet, in die das HF-Feld nunmehr eindringt, so daß der Schwingkreis bedämpft wird, was zur Auslösung eines Schaltvorganges aus­ genutzt wird.

Fig. 9 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des L-Gliedes des Schwingkreises. Hier besteht das den Ferritschalenkern 6 kurzschließende Jochstück 22 aus einem Streifen aus amorphem Metallband, welches auch als metallisches Glas bezeichnet wird und welches im deutschen Bereich unter dem geschützten Warenzeichen "Vitrovac" vertrieben wird. Dieses Material weist eine hohe Permeabilität auf, besitzt aber eine im Vergleich zu Transformatoren- oder Dynamoblechen geringe elektrische Leitfähigkeit. Das streifenförmige Jochstück 22 weist eine Stärke von etwa 30 Mikrometer, und bei einem Ferritkern von 6 Millimetern Durchmesser eine Breite von zwei Millimetern und eine Länge von etwa 6 Millimetern auf, wobei durch Wahl einer größeren Länge die Ansprechempfindlichkeit erhöht werden kann. Das amorphe Metallband ist flexibel, bruchfest und bildet über seine gesamte Länge hinweg den sättigungsempfindlichen Bereich 9. Dieses Material ermöglicht sehr kleine Bauformen. Im übrigen sind Aufbau und Wirkungsweise des L-Gliedes nach Fig. 9 gleich wie bei dem L-Glied nach Fig. 4 bis 6, und das L-Glied nach Fig. 9 kann auch bei den Anordnungen mit indirekter magnetischer Auslösung nach den Fig. 7 und 8 eingesetzt werden. In allen Fällen stellen die Jochstücke 7, 22 eine magnetische Blende dar, die das HF-Sensorfeld in dem geschlossenen, vom Ferrittopf 6 und dem Joch 7, 22 gebildeten Magnetflußkreis zurückhalten. Erst wenn durch eine äußere, direkte oder indirekte magnetische Auslösung im Jochstück 7 bzw. 22 Sättigung auftritt, wird die Blende geöffnet und dringt das Sensorfeld bis zur Wirbelstromschicht 12, was dann mit der beschriebenen abrupten Dämpfung des Schwingkreises ver­ bunden ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 kann auf die Ansprechempfindlichkeit auch noch dadurch Einfluß ge­ nommen werden, daß zwischen dem Jochstück aus amorphem Metallband und dem Ferritschalenkern eine elektrisch nicht­ leitende, magnetisch neutrale Isolierschicht in Form einer Kunststoffolie oder einer Kleberschicht von z. B. 100 Mikrometer Stärke vorgesehen wird.

Claims (9)

1. Auf einen sich annähernden Auslöser ansprechender Näherungs­ schalter, mit einem HF-Schwingkreis, für dessen Schwingungs­ magnetfeld ein geschlossener Kern vorgesehen ist, welcher mindestens einen sättigungsempfindlichen Bereich aufweist, und mit einer Auswertschaltung, die die von dem Grad der Kernsättigung abhängige Schwingungsamplitude erfaßt und bei Unterschreiten bzw. Überschreiten eines bestimmten Amplitudengrenzwertes einen Schaltvorgang auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß der sättigungsempfindliche Bereich (8) des Kernes an seiner der Schwingkreisspule (5) abge­ wandten Seite mit einer elektrisch leitenden Wirbelstrom- Metallschicht (12) oder -Metallfolie versehen ist.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihm ein beweglicher Dauermagnet (11) oder Elektro­ magnet als Auslöser zugeordnet ist.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Näherungsschalter ein Dauermagnet (14) oder Elektro­ magnet angeordnet ist, der ein zur Sättigung des sättigungs­ empfindlichen Kernbereiches ausreichendes Magnetfeld (18 a) besitzt, und daß der Auslöser aus permeablem Material besteht und als Kurzschlußjoch (17) ausgebildet ist, welches bei Annäherung einen zunehmenden Magnetfeldanteil (18 b) des eingebauten Magneten einfängt und die Sättigung des Kernbereiches (6/7) mindert, bzw. aufhebt.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Näherungsschalter ein Dauermagnet (19) oder Elektro­ magnet eingebaut ist, dessen bei abwesendem Auslöser zu einer Sättigung nicht ausreichendes Magnetfeld (20) durch den sättigungsempfindlichen Bereich (8) hindurch und auf einer weiten Strecke außerhalb des Näherungsschalters verläuft, und daß der Auslöser ein permeables Leitstück (21) ist, welches bei einer Annäherung durch Verkürzung der Luftstrecke (20) des Magnetfeldes den magnetischen Leitwert des Magnetkreises erhöht und den Magnetfluß bis zur Sättigung des sättigungsempfindlichen Bereiches (8) verstärkt.

5. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrom-Metallschicht (12) aus einem nicht permeablen Material, z.B. aus Aluminium oder Kupfer besteht.

6. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einem die Spulen (5) tragenden Ferritschalenkern (6) und einem den HF-Magnetkreis kurzschließenden Jochstück (7, 22) besteht, an dem der sättigungsempfindliche Bereich (9) vorgesehen ist.

7. Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Jochstück (7) aus einer Ferritplatte besteht, die in ihrer Mitte mit einer den sättigungsempfindlichen Bereich (9) bildenden Querschnittseinengung (8) versehen ist.

8. Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Jochstück (22) aus einem Streifen aus amorphem Metallband besteht.

9. Näherungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Jochstück (22) aus amorphem Metallband und dem Ferritschalenkern (6) eine elektrisch nicht­ leitende, magnetisch neutrale Isolierschicht in Form einer Kunststoffolie oder einer Kleberschicht von z.B. 100 Mikrometer Stärke vorgesehen ist.