-
Diese Erfindung betrifft magnetische
Näherungserfassungsvorrichtungen.
-
Im allgemeinen werden magnetisch betriebene Näherungsschalter
benutzt, um die relative Bewegung zwischen zwei Elementen zu
erfassen, wobei eines der Schalter selbst ist und das andere
ein magnetisch permeables Element aus Eisen oder Stahl.
-
Das Patent Nr. 4,225,837 der Vereinigten Staaten offenbart
eine Schwenkarmatur, die die Schalterkontakte trägt und die an
ihren Enden mit magnetisch permeablen Lippen versehen ist, die
sich in Richtung auf die Hauptfläche der Polseiten mit
demselben magnetischen Vorzeichen von Permanentmagneten erstrecken,
mit denen die Armatur zusammenwirkt. Um einen größeren Zug zu
erzeugen oder um die schwenkbare Armatur in einer horizontalen
Anordnung zu halten, befindet sich ein geringerer Luftspalt
zwischen dem Magnet und der Armatur auf der einen Seite der
Vorrichtung, wobei ein größerer Luftspalt auf der anderen
Seite vorliegt. Dieser magnetische Abstand zwischen den Lippen
erfordert es, daß beide Magnete in ihrer Stärke bezüglich
ihres magnetischen Zuges identisch sind, um so die Möglichkeit
auszuschalten, daß sich der magnetische Einfluß während des
Betriebes des Schalters ändert. Die Polflächen der Magnete,
die die Lippen der Kontaktbrücke beeinflussen, haben dieselbe
Polarität oder dasselbe Vorzeichen. Die Vorgabe von Magneten
identischer Polarität erfordert arbeitsintensives Prüfen und
manuelles Positionieren und Neupositionieren der Magnete, um
die erforderlich Intensität des magnetischen Flusses zu
erhalten. Auch erfordert das Verfahren zum Herabsetzen der Stärke
eines Poles desselben Magnetes, um ein Flußdifferential zu
erzeugen, eine ausgefeilte Ausrüstung und Prüfeinrichtungen,
um sicherzustellen, daß die korrekte Größe der
Unausgeglichenheit
für die Schwenkbewegung einer Armatur auf konsistente
Weise beim Betrieb der Vorrichtung erreicht wird.
-
Weitere Beispiele magnetisch arbeitender
Näherungserfassungsvorrichtungen sind in den Patenten Nrs. 3 176 096; 3 325 756;
3 361 995; 3 673 527; 3 732 512 und 4 117 431 der Vereinigten
Staaten offenbart.
-
Im Stand der Technik, insbesondere bei der Schalterausbildung
des obengenannten Patentes Nr. 4 225 837 der Vereinigten
Staaten fehlt das Vermögen, auf konsistente Weise einen adäquaten
Kontaktdruck zwischen den elektrischen Kontakten des Schalters
bei akzeptablen Erfassungsentfernungen zu erhalten. Es fehlt
weiterhin an einem Gerät, das in der Lage ist, große
stromführende Möglichkeiten des Kontaktelementes zu schaffen. Es
fehlen weiter im Stand der Technik Offenbarungen der Lehre für
keinen Abstand der Magnete oder für das Nichtschwächen der
magnetischen Felder, was üblicherweise die magnetische
Unausgeglichenheit schafft, um das Schwenken oder die Bewegung der
Armatur zu erlauben.
-
Es fehlt weiterhin im Stand der Technik eine Gestaltung für
eine Armatur, die die Notwendigkeit zum Anbringen eines
Kontaktpaares ausschaltet, dessen Zusammenwirken mit einem
anderen Paar von Kontakten die Vorrichtung betreibt. Es fehlt
weiterhin im Stand der Technik eine Armatur mit einer
Einrichtung, die sich in Richtung auf ihre gegenüberliegenden Enden
erstreckt, mit unterschiedlichen Längen und Massen, die mit
unterschiedlichen Polflächen eines zugeordneten
Permanentmagneten zusammenwirken. Es fehlt weiterhin im Stand der
Technik einen Einrichtung, die sich von den gegenüberliegenden
Enden einer schwenkbaren Armatur erstreckt, die sowohl als
eine Kontaktfläche und als ein Mittel zum Vergrößern der
Ansprechbarkeit benutzt wird. Es fehlt weiterhin im Stand der
Technik ein Näherungsschalter, der keine arbeitsintensive
Prüfung und manuelle Positionierung der Magnete für ihre optimale
Operation erfordert.
-
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen magnetischen
Näherungsschalter zu schaffen, der leistungsfähig ist, gering in
der Größe hergestellt werden kann und in Aufbau und Operation
einfach ist, wobei er ein Minimum an Prüfung und manuellem
"Versuch und Irrtum" beim Einlegen der Magnete in die
Vorrichtungen erfordert.
-
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein magnetischer
Näherungsschalter zur Verfügung gestellt, mit: einer magnetisch
permeablen Armatur, die verschwenkbar in einem Gehäuse
untergebracht ist, wobei die Armatur einen Hauptkörper und ein Paar
magnetisch permeabler Elemente aufweist, die in derselben
Richtung von dem Hauptkörper in Richtung auf entsprechende
Pole einer Permanentmagnet-Einrichtung abhängen, die in dem
Gehäuse befestigt sind, wobei die Armatur zwischen einer
ersten Position und einer zweiten Position verschwenkbar ist,
wobei die Anordnung derart ist, daß in der ersten Position der
Armatur, bei Fehlen magnetischen Einflusses von außerhalb des
Schalters, die Nettowirkung der magnetischen Kräfte zwischen
der Permanentmagnet-Einrichtung und den permeablen Elementen
so ist, die Armatur in die erste Position zu zwingen, daß
jedoch, wenn ausreichend magnetischer Fluß von der Armatur
durch Annäherung eines magnetisch permeablen Operators
abgelenkt wird, die Nettowirkung der magnetischen Kräfte zwischen
der Permanentmagnet-Einrichtung und der Armatur so ist, daß
die Armatur in die zweite Position bewegt wird, wobei die
Armatur einen elektrischen Kontakt bildet, der, in einer der
Positionen der Armatur, in Kontakt mit einem zusammenwirkenden
elektrischen Kontakt ist, der in dem Gehäuse befestigt ist,
und der, in der anderen der Positionen der Armatur, von seinem
zusammenwirkenden festen elektrischen Kontakt beabstandet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die permeablen Elemente
verschiedene Längen und Massen haben und daß in der ersten Position
der Armatur der Spalt zwischen dem permeablen Element mit der
geringeren Länge und der geringeren Masse und dem
entsprechenden Pol der Permanentmagnet-Einrichtung größer ist als in der
zweiten Position der Armaturmittel und auch größer ist als der
Spalt, in der ersten Position der Armatur, zwischen dem
permeablen Element mit der größeren Länge und Masse und dem
entsprechenden Pol der Permanentmagnet-Einrichtung.
-
Ausführungsformen der Erfindung werden unten beispielhaft mit
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:-
Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist, die die Flußlinien für das
magnetische Feld zeigt;
-
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der
Ausführungsform der Fig. 1 ist, und
-
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, entsprechend der Fig.
2, des entsprechenden Teiles einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung ist.
-
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist ein äußeres Gehäuse
100 auf, das einen magnetisch betriebenen Näherungsschalter 12
enthält, welcher Vielpol-Permanentmagnete 14, 16 benutzt, die
in einem inneren Gehäuse 18 angeordnet sind. Das Gehäuse 18
umfaßt ein horizontales Element 20 und zwei aufrecht stehende
Elemente (von denen eines bei 22 gezeigt ist), auf denen eine
Armatur 24, die magnetisch permeabel ist, schwenkbar
angebracht ist.
-
Das Gehäuse 18 hat einen inneren Abschnitt 26, der sich
zwischen die Magnete 14, 16 erstreckt und diese trennt und das
Gehäuse 18 in zwei Taschen zum Aufnehmen der Magnete 14, 16
aufteilt. Bevorzugt ist das Gehäuse 18 aus einem
stoßabsorbierenden Epoxiharz hergestellt, das in der Lage ist, Wärme bis
zu einer Temperatur von 300ºF zu widerstehen. Ein Paar von
Kontakten 28, 30 ist auf geeignete Weise in dem horizontalen
Element 20 angebracht, das Teil des Gehäuses 18 ist, und diese
Kontakte sind durch nicht gezeigte Einrichtungen mit
geeigneten Anschlüssen, nicht gezeigt, verbunden, die sich auf
herkömmliche Weise von dem äußeren Gehäuse 10 weg erstrecken. Bei
der Verwendung können diese Anschlüsse in Operations- oder
Steuerschaltungen einer Maschine verschaltet werden, die durch
den Schalter gesteuert wird. Die Kontakte 28, 30 werden
bevorzugt geschraubt oder fest eingegossen, um die
Ampere-Übertragung auf den Schalter zu erhöhen.
-
Wie in Fig. 2 gezeigt besteht die Armatur 24 aus einem
mittleren ebenen Abschnitt 32, der schwenkbar auf zwei aufrecht
stehenden Elementen 22 angebracht ist. (Aus Klarheitsgründen
sind die Elemente 22 in Fig. 2 nicht gezeigt.) Wie in Figur l
gezeigt hat die Armatur 24 zwei gegenüberliegende L-förmige
Elemente 34, 36, die sich vom Hauptmittelabschnitt 32 nach
unten erstrecken. Diese L-förmigen Elemente 34, 36 haben
untere horizontale Beine 38 bzw. 40. Jedes Bein 38, 40 ist so
angeordnet, daß es in der Lage ist, Kontakt mit den
entsprechenden Kontakten 28, 30 herzustellen, die wiederum, wie oben
erwähnt, mit einem entsprechenden Anschluß verbunden sind.
-
Die unteren horizontalen Beine 38 und 40 erstrecken sich nach
außen in gegenüberliegende Richtungen, wie in Fig. 1 gezeigt,
weg von den entsprechenden vertikalen Abschnitten der
L-förmigen Elemente 34, 36. Der vertikale Abschnitt jedes L-förmigen
Elementes 34 bzw. 36 erstreckt sich von dem Abschnitt 32 in
Richtung auf seinen entsprechenden Magneten 14, 16, wie in
Fig. 1 gezeigt. Der Näherungsschalter kann in einem ersten
Operationsmodus die Position einnehmen, die in Fig. 1 gezeigt
ist. Im Gegensatz dazu kann in einem zweiten Operationsmodus
die Armatur 24 aus ihrer Position, im Uhrzeigersinn in Fig.
1, verschwenkt werden, so daß die horizontalen Beine 38 und 40
unter einem Winkel relativ zu ihren entsprechenden Magneten
14, 16 angeordnet werden, mehr darüber wird in Kürze
diskutiert. Bevorzugt ist die Armatur 24 aus einem Stahl mit
niedrigem Kohlenstoffgehalt.
-
Wieder mit Bezug auf die Fig. 1 sind die vertikalen
Abschnitte der L-förmigen Elemente 34 und 36 untereinander von
unterschiedlicher Länge, wobei das Element 36 länger ist als
das Element 34. Die horizontalen Beine 38 und 40 liegen
parallel zu der Ebene des Abschnittes 32.
-
Da der vertikale Abschnitt des L-förmigen Elemente 36 länger
ist als der vertikale Abschnitt des Elementes 34, jedoch
dieselbe Dicke hat, ist die Masse des L-förmigen Elementes 36,
das mit dem elektrischen Kontakt 30 zusammenwirkt, größer als
die des L-förmigen Elementen 34, das mit dem elektrischen
Kontakt 28 zusammenwirkt.
-
Diese größere Massa des L-förmigen Elementes 36 gibt einen
größeren magnetischen Einfluß auf die Armatur 24, so daß ohne
äußeren Einfluß die Armatur in den Gegenuhrzeigersinn, wie in
Fig. 1 gesehen, gezwungen wird, und der Kontakt zwischen der
Kontaktfläche des horizontalen Beines des L-förmigen Elementes
36 und des Kontaktes 30 wird hergestellt und beibehalten.
-
Die kleinere Länge des L-förmigen Elementes 34 erzeugt einen
Luftspalt zwischen dem Magnet 14 und dem horizontalen Bein 38,
der etwas größer ist als der Spalt zwischen dem Magnet 16 und
dem horizontalen Bein 40, des L-förmigen Elementes 36. Der
kleinere Luftspalt, zusammen mit der größeren Masse des
Elementes 36, liefert einen größeren magnetischen Zug, so daß das
L-förmige Element 36, auf der linken Seite in Fig. 1 gelegen,
in der gezeigten Position bei Fehlen irgendeines äußeren
Einflusses bleibt.
-
Die Permanentmagnete 14 und 16 bestehen im allgemeinen aus
zwei Polabschnitten, wie in Fig. 1 gezeigt, wobei die linke
Seite eine Polarität hat, die durch ein "N" bezeichnet ist,
und die rechte Seite die entgegengesetzte Polarität hat, die
durch ein "S" bezeichnet ist. Das L-förmige Element 36 liegt
nahe bei dem Nordpol, und das horizontale Bein 40 erstreckt
sich über diesen, seines zusammenwirkenden Magneten 16, der
die magnetischen Flußlinien erzeugt, die bei 46 gezeigt sind,
und das L-förmige Element 34 liegt nahe bei dem Südpol und das
horizontale Bein 38 erstreckt sich über diesen, seines
zusammenwirkenden Magneten 14, der die bei 48 gezeigten Flußlinien
erzeugt.
-
Wenn ein Körper aus ferromagnetischem Material in den
magnetischen Flußbereich am L-förmigen Element 36 eintritt, was im
allgemeinen einen geschlossenen Kontakt erzeugt, wird das
magnetische Feld durch Ablenken das magnetischen Flusses
unterbrochen, was zu einem abgeschwächten magnetischen Zug auf
das L-förmige Element 36 führt. Daraufhin wird bewirkt, daß
die Armatur 24 im Uhrzeigersinn, wie in Fig. 1 gesehen, durch
das nun stärkere magnetische Feld, das zwischen dem L-förmigen
Element 34 und der Kontaktfläche 38 existiert, verschwenkt
wird. Es ist die Erfahrung des Erfinders gewesen, daß die
Erfindung auf die oben beschriebene Weise mit den
entsprechenden Polen der Magnete 14, 16 in ihren Positionen relativ zu
den L-förmigen Elementen 36, 40, in Fig. 1 gezeigt, arbeitet.
Die Armatur 24, die in Fig. 2 gezeigt ist, ist eine
Einzelpol-Doppelkopplungs-Kontaktbrücke. Das heißt, der
Näherungsschalter, der die Armatur 24 umfaßt, ist ein
Einzelpol-Doppelkopplungs-Schalter. Fig. 3 veranschaulicht eine zweite
Ausführungsform, bei der die Einstoff-Armatur 24 der Figuren l
und 2 durch zwei Armaturen 50 und 52 ersetzt ist, wodurch der
Näherungsschalter in dieser Ausführungsform ein
Doppelpol-Doppelkopplungs-Schalter ist. Fig. 3 veranschaulicht eine zweite
Ausführungsform, bei der die Einstoff-Armatur 24 der Fig. 1
und 2 durch zwei Armaturen 50 und 52 ersetzt ist, wodurch der
Näherungsschalter in dieser Ausführungsform ein
Doppelpol-Doppelkopplungs-Schalter ist. Bei dieser Anordnung sind die
Armaturen 50 und 52 durch einen Luftspalt 54 getrennt, der
zwischen ihnen die Isolierung erzeugt. Die Armaturen 50 und 52
sind in bezug aufeinander um die Medianebene des Luftspaltes
54 symmetrisch, die senkrecht zu der allgemeinen Schwenkachse
der Armaturen 50 und 52 liegt, und jede Armatur ist in der
Form identisch zu einer entsprechenden der beiden Hälften, die
sich ergeben würden, wenn man die Armatur 24 durch Aufsägen
entlang der Medianebene in zwei aufteilt, so daß diese zweite
Ausführungsform in vertikalem Schnitt identisch zur Fig. 1
erscheint.
-
Bei dieser zweiten Ausführungsform hat jede Armatur 50, 52 ein
jeweilige Paar zugeordneter Kontakte, wobei ein Kontakt unter
ihrem längeren Bein und einer unterhalb ihres kürzeren Beines
angeordnet ist. Somit ist ein Kontakt 56 unter dem längeren
Bein der Armatur 50 angeordnet; ein Kontakt 58 ist unterhalb
des längeren Armes der Armatur 52 angeordnet; ein Kontakt 60
ist unterhalb des kürzeren Beines der Armatur 50 angeordnet
und ein Kontakt 62 ist unterhalb des kürzeren Beines der
Armatur 52 angeordnet. Bei der Operation stellen diese Kontakte
den direkten Kontakt mit ihren entsprechenden Armaturen bei
entsprechenden Positionen des -Schalters her.
-
Die magnetischen Näherungsschalter, die mit Bezug auf die
Zeichnungen beschrieben sind, sind kostengünstig und so
ausgelegt, daß sie optimale Empfindlichkeit und Operation bieten.
Die Form der Armatur schaltet die Notwendigkeit für
Hilfskontakte auf der Armatur und die Notwendigkeit zum Anordnen eines
Permanentmagnetes auf einer unterschiedlichen Höhe in bezug
auf die anderen Permanentmagnete für den erforderlichen
Abstand für die Schwenkbewegung der Armatur aus. Die Magnete
haben an ihren Enden unterschiedliche Polaritäten, die die
magnetische Kraft an den Enden der Armatur beeinflußt, was zu
einem besseren Abgleich der Armatur führt.
-
Das Vorsehen von Beinen 34 und 36 mit unterschiedlichen Massen
und Längen schaltet die Notwendigkeit unterschiedlicher
Abstände der Magnete zum Erzeugen eines Luftspaltes aus, der
zum Schwenken der Armatur für den notwendigen elektrischen
Kontakt notwendig ist. Die Verwendung von Vielpolmagneten,
deren unterschiedliche Polaritäten sich angrenzend an die
Armatur erstrecken, erleichtert das Erzeugen eines
magnetischen Feldes mit Flußlinien, die in Längsrichtung der
Vorrichtung laufen.
-
Die Armatur oder Armaturen können maschinenbearbeitet oder auf
andere Weise geformt werden, um die Masse an
gegenüberliegenden Enden der Kontaktbrücke für die genaue Schalteraktivierung
zu kontrollieren. Die Komponenten des Schalters können relativ
klein gemacht werden, so daß das Gehäuse für den Schalter
klein sein kann, verglichen mit dein Näherungsschaltern des
Standes der Technik.
-
Die Merkmale, die in der vorangehenden Beschreibung, in den
folgenden Ansprüchen und/oder in den beigefügten Zeichnungen
offenbart sind, können sowohl einzeln als auch in jeglicher
Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren
unterschiedlichen formen wesentlich sein.