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Autor: Dipl.-Ing. Peter Heimlicher studierte Elektrotechnik an der ETH Zürich. Unmittelbar nach dem Studium gründete er 1972 die Firma Contrinex AG, als deren Geschäftsführer er seither tätig ist.

MiniDist®-Näherungsschalter


Stand der Technik

Die seinerzeit (1978) von Contrinex eingeführten induktive Miniatur-Näherungsschalter haben sich bekanntlich schon seit längerer Zeit auf dem Markt bewährt. Den Anfang machten die Baugrössen Ø4 mm und M5, gefolgt von Ø3 mm und M4. Bei diesen klassischen induktiven Näherungsschaltern nach dem Wirbelstrom-Verfahren sind die Schaltabstände grundsätzlich proportional zum Gerätdurchmesser. Im vorliegenden Fall bedeutet dies: kleines Gerät = kleiner Schaltabstand. In der Zwischenzeit konnten jedoch, vor allem basierend auf dem Condist®-Verfahren von Contrinex, grosse Fortschritte bei der Erhöhung der Schaltabstände induktiver Näherungsschalter erzielt werden (bis zum 4-fachen der Norm-Werte). Wegen des schaltungstechnischen Zusatzaufwandes blieb diese Verbesserung aller-dings den Bauformen ab M8 und grösser vorbehalten.

Anwenderseitige Anliegen

Als Branchenregel gilt, dass Ausfälle von Näherungsschaltern in 80% der Fälle Folge mechanischer Beschädi-gung sind. Bei Miniaturgeräten nimmt die Wahrscheinlichkeit mechanischer Beschädigung und damit der Anteil der dadurch bedingten mechanischen Ausfälle aus folgenden Gründen leider noch zu:

  • Kleiner Schaltabstand erfordert Nähe zu bewegten Teilen.
  • Kleine Baugrössen sind mit kleinen Wandstärken verbunden, d.h. sie sind somit mechanisch weniger robust als grössere Geräte.

Ein Ausbruch aus dem Dilemma «kleiner Näherungsschalter = geringe Zuverlässigkeit» wäre aber von grossem Interesse. Da der Anteil kleiner Bauformen im industriellen Einsatz kontinuierlich steigt, ist auch eine entsprechende wirtschaftliche Bedeutung gegeben.

Neue Generation: MiniDist®

Condist®, das Standard-Verfahren für grosse Schaltabstände, liess sich bisher nur diskret, d.h. mit einer Vielzahl von Einzelkomponenten, realisieren. Dieser diskrete Aufbau beansprucht ziemlich viel Platz und passt deshalb gerade knapp in ein M8-Gehäuse. Ein Einbau in die Baugrössen Ø4 mm und M5 ist somit völlig ausgeschlossen.
Vor kurzem ist nun Contrinex ein technischer Durchbruch gelungen, der diese Begrenzung durchbricht: Der Mini-Dist®-Näherungsschalter wurde geboren! Der Einsatz des Condist®-Verfahrens in Miniatur-Baugrössen ist daher nicht mehr unmöglich, was bedeutet, dass sich Miniatur-Bauformen und grosse Schaltabstände nicht mehr gegenseitig ausschliessen.

Der Quantensprung – ASIC sei Dank

Die klassische Condist®-Schaltung lässt sich aus technischen Gründen, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll, nicht mit akzeptablem Aufwand auf einen Silizium-Chip integrieren. Contrinex hat nun unter Beibehaltung des Condist®-Verfahrens eine alternative Anordnung entwickelt, die hingegen sehr gut zur Integration geeignet ist. Der Schaltungsaufwand ist zwar an sich viel höher und eine diskrete Realisierung käme somit nicht in Frage; aber unter Nutzung modernster Technologie (Mixed-Signal CMOS) ist dies kein Hindernis. Contrinex ist diesen Weg erfolg-reich gegangen und hat ein entsprechendes ASIC realisiert. Es umfasst nebst der obligatorischen Oszillatorschaltung mit zugehöriger Signalverarbeitung und -auswertung eine Temperaturkompensation nach dem Condist®-Verfahrens, d.h. basierend auf der Nutzung des Temperaturkoeffizienten des Kupferwiderstandes der Schwingkreisspule. Diese «System on a chip» wird von einem integrierten kleinen Mikrocontroller gesteuert, und die Parameter sind in einem ebenfalls integrierten EEPROM-Speicher abgelegt. Zur Implementierung dieser Funktionen wird die beträchtliche Anzahl von ca. 45’000 Transistoren benötigt.

Technische Daten

MiniDist®-Näherungsschalter erzielen bei Baugrösse Ø4 mm / M5, bündig einbaubar, volle 2,5 mm Schaltabstand. Gegenüber den Werten von 0,8 mm gemäss Norm und 1,5 mm für die seit kurzem erhältlichen Geräte mit erhöhtem Schaltabstand ist das ein Quantensprung. Zum Vergleich: Norm-Näherungsschalter der Baugrösse M12 weisen bei einem ca. 12-mal grösseren Volumen nur 2 mm Schaltabstand auf! Tabelle 1 gibt einen Überblick über die aktuell angebotenen Geräte der Baugrössen Ø4 mm / M5 unter Einbezug der neuen Minidist®-Typen.
Im Übrigen unterscheiden sich die Daten der MiniDist®-Näherungsschalter nicht nennenswert von denjenigen der bekannten Geräte. Mit dieser Kompatibilität ist der Ersatz bisheriger Geräte in Anwendungen, bei denen ein zu knap-per Schaltabstand Schwierigkeiten bereitet, völlig problemlos.

Kundennutzen

Die neuen MiniDist®-Näherungsschalter liegen voll in Trend. Die zunehmend dichter gepackte Funktionalität mo-derner Maschinen, Geräte und Anlagen erfordert immer leistungsfähigere Sensorik. Dazu gehören an vorderster Front Geräte mit entweder grösserem Schaltabstand bei gegebenem Durchmesser oder bei gegebenem Schaltabstand kleinerer Bauform.

Hinzu kommt der Aspekt der Zuverlässigkeit. Knapper Schaltabstand bedeutet geringer Abstand vom zu erfas-senden, bewegten Objekt. Die kleinste Unregelmässigkeit im Betrieb gefährdet so das Gerät durch mechanische Beschädigung. Gerade kleine Ausführungen mit ihren geringeren Wandstärken und allgemein eben auch tieferen mechanischen Beanspruchbarkeit sind besonders exponiert. Genau aus diesem Grund lässt sich durch den Wechsel auf MiniDist®-Geräte die Betriebszuverlässigkeit in vielen Fällen entscheidend erhöhen - und dies mit minimalem Aufwand.

Wirtschaftliche Gesichtspunkte

MiniDist®-Näherungsschalter erfordern dank der erwähnten ASIC-Technologie nicht mehr die aufwendigen, schwierig zu beherrschenden Fertigungsprozesse bisheriger Geräte mit grossem Schaltabstand. Statt Prozess-Parameter genauestens einzuhalten und mit geringsten Toleranzen zu arbeiten, werden beim fertigen Gerät durch Bestimmen und digitales Abspeichern von Korrektur-Parametern Fertigungsstreuungen weitgehend eliminiert. Mit dem gleichen Verfahren werden Schaltabstand und Hysterese eingestellt, was bedeutet, dass auf den aufwendigen Laser-Abgleich verzichtet werden kann. Zudem wird der Bauteileaufwand um ca. einen Faktor vier reduziert. Im Wei-teren wird die Lagerhaltung vereinfacht, da verschiedene Ausführungsvarianten erst durch die Parametrierung am Schluss des Fertigungsvorgangs konfiguriert werden können.

Zukunft

Aus physikalischen Gründen lässt sich der Schaltabstand induktiver Näherungsschalter nur sehr beschränkt erhö-hen (weiteres im Contrinex Anwendungsbericht «Induktive Näherungsschalter mit 4-fachem Schaltabstand: Wo liegt die Grenze?»). MiniDist®-Näherungsschalter arbeiten nicht weit entfernt von der physikalisch bedingten, unüberwind-lichen Grenze für induktive Geräte. Allenfalls kann wohl mit zunehmender Fertigungserfahrung und weiterer konstruk-tiver Perfektionierung noch einiges verbessert werden. Die Ingenieure von Contrinex träumen bereits von einem Schaltabstand von 3 mm (bündig einbaubar) für Baugrösse Ø4 mm / M5. Damit dürften dann aber die Möglichkeiten des induktiven Wirbelstrom-Verfahrens endgültig ausgeschöpft sein.

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