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1. WO2016037597 - SENSOR ELEMENT OF AN INDUCTIVE PROXIMITY OR DISTANCE SENSOR, AND METHOD FOR OPERATING THE SENSOR ELEMENT

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[ DE ]

Beschreibung

Titel

Sensorelement eines induktiven Näherunqs- oder Abstandssensor und Verfahren zum Betreiben des Sensorelements

Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement eines induktiven Näherungsbzw. Abstandssensors nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben des Sensorelements des induktiven Näherungs- bzw. Abstandssensors.

Stand der Technik

Die Anmelderin bietet, beispielsweise unter dem zur Anmelderin führenden Internet-Link: http://www.Balluff.com, Messvorrichtungen zur Objekterkennung an, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen, wie beispielsweise induktive Abstandssensoren, induktive Näherungssensoren, Micropuls-Wegaufnehmer, magneto-induktive Wegsensoren, magnetcodierte Weg- und Winkel-Messsysteme und beispielsweise opto-elektronische Abstandssensoren. Die Messvorrichtungen ermitteln beispielsweise die Position eines beweglichen Objekts in Bezug auf einen Positionssensor bzw. den Abstand eines beweglichen Objekts von dem Positionssensor oder beispielsweise einfach die Anwesenheit eines Messobjekts.

In der Patentschrift US 5 801 531 A ist induktiver Näherungssensor beschrieben, der einen erhöhten Schaltabstand ermöglicht. Der erhöhte Schaltabstand wird durch eine Abschirmung des induktiven Sensors erreicht. Die Abschirmung wird mit einer metallischen Platte und einem Gehäuse aus nicht ferromagnetischem Material realisiert, welche einen Ferritkern umgeben. Der Ferritkern ist mit einer Spule bewickelt.

In der Offenlegungsschrift DE 38 39 386 A1 ist ein induktiver Näherungssensor beschrieben, der eine Erregerspule ausweist, die gemäß einer ersten Ausführung von einer Empfangsspule umgeben ist. Gemäß einer anderen Ausführung ist eine zweiteilige Empfangsspule vorgesehen, wobei die beiden Teilspulen in Bezug auf ein Messobjekt bzw. in Bezug auf die Messrichtung hinter der Erregerspule angeordnet sind. Unterschieden werden können Messobjekte, die ferromagnetisch sind oder elektrisch leitend, aber nicht ferromagnetisch sind.

Die Offenlegungsschrift DE 197 40 774 A1 beschreibt einen induktiven Näherungssensor, der sowohl zwei Erregerspulen als auch zwei Empfangsspulen aufweist. Die beiden Empfangsspulen sind, bezogen auf die Sensorachse, zwischen den beiden Erregerspulen positioniert. Die beiden Erregerspulen werden gegensinnig bestromt.

In der Offenlegungsschrift DE 101 22 741 A1 ist ein Metalldetektor beschrieben, der zwei Erregerspulen und eine Empfangsspule aufweist. Sämtliche Spulen sind konzentrisch auf einer gemeinsamen Achse positioniert. Die beiden Erregerspulen sind bezüglich ihrer Windungszahlen und/oder ihrer Abmessungen derart dimensioniert und die in die beiden Sendespulen eingespeisten Erregerströme bezüglich ihrer gegenseitigen Phasenlagen und/oder bezüglich ihrer Amplituden derart bemessen, dass sich die von den beiden Erregerspulen in die Empfangsspule angeregten Flüsse gegenseitig kompensieren.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 007 620 A1 ist ein induktiver Näherungssensor bekannt geworden, welches gemäß einer Ausführungsform zwei Erregerspulen und zwei Empfangsspulen aufweist, die in Bezug auf das Messobjekt konzentrisch mit jeweils gleichem Durchmesser hintereinander angeordnet sind. Die Sendespulen und die Empfangsspulen wechseln sich gegenseitig ab, wobei dem Messobjekt am nächsten die erste Sendespule angeordnet ist.

Der in der Offenlegungsschrift DE 10 2007 010 467 A1 beschriebene induktive Näherungssensor enthält zwei Erregerspulen sowie zwei symmetrisch zu den Erregerspulen koaxial innerhalb der Erregerspulen angeordnete Empfangsspulen. Die Empfangsspulen sind gegensinnig in Reihe geschaltet. Vorgesehen ist eine Abschirmung der koaxial aufgebauten Spulenanordnung. Die Tiefe des induktiven Näherungssensors ist größer als der Durchmesser.

In der Offenlegungsschrift EP 751 623 A1 ist ein Näherungssensor beschrieben, der eine Resonanzschaltung aufweist, welche eine auf einem Ferritkern gewickelte Spule enthält. Der bekannte induktive Näherungssensor kann mit einem großen Verhältnis von Breite zu Tiefe realisiert werden, weist jedoch eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber einem störenden externen elektromagnetischen Feld auf. Der erzielbare Schaltabstand hängt von dem Materialfaktor ab.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2006 040 550 A1 beschreibt einen induktiven Näherungssensor, der ein Sensorelement mit zwei Erregerspulen und zwei symmetrisch zu den Erregerspulen positionierten, gegensinnig in Reihe geschalteten Empfangsspulen enthält. Das Sensorelement ist in einem zylindrischen Edelstahlgehäuse un tergebracht, welches ein Au ßengewinde aufweist. An der Detektionsfläche am vorderen Ende des Gehäuses bezogen auf das Messobjekt ist ein Deckel vorgesehen der aus unmagnetischem Edelstahl besteht. Am hinteren Ende des Sensorelements bezogen auf das Messobjekt ist ein Vorbedämpfungselement vorgesehen, dessen Eigenschaften denen des Deckels und des Gehäuses an der Detektionsflä-

che zur Kompensation der Einflüsse des Deckels und des Gehäuses an der Detek-tionsfläche entsprechen soll.

Aus der Offenlegungsschrift EP 1 296 160 A1 ist ein induktiver Näherungssensor bekannt geworden, der eine Erregerspule und eine Empfangsspule aufweist, die auf beiden Seiten einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Leiterplatte kann magnetische Eigenschaften aufweisen, um eine magnetische Trennwand bereitzustellen.

In der US-Offenlegungsschrift 201 1 /0089938 A1 ist ein induktiver Näherungssensor beschrieben, dessen Sensorelement zwei Erregerspulen und eine Empfangsspule enthält. Die Erregerspulen Stellen gleichzeitig Magnetfelder mit entgegengesetzter Polung bereit. Die Empfangsspule ist zwischen den beiden Erregerspulen angeordnet. Vorgesehen ist ein Abgleich des Sensorelements in Abwesenheit eines Messobjekts. Vorgesehen sein kann weiterhin ein Abgleich des Sensorelements in Anwesenheit eines stationären Objekts.

In der Offenlegungsschrift WO 2012/140265 A2 ist eine Weiterbildung des in der US-Offenlegungsschrift 201 1 /0089938 A1 beschriebenen induktiven Näherungssensors angegeben, welche eine Vorgabe der Erregerströme für die Erregerspulen mit den unterschiedlichsten zeitlichen Signalverläufen vorsieht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement eines induktiven Nä-herungs- oder Abstandssensor und ein Verfahren zum Betreiben des Sensorelements anzugeben, mit welchen ein hoher Schaltabstand bei gleichzeitig einer hohen Unempfindlichkeit gegenüber Störungen erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale jeweils gelöst.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement eines induktiven Näherungssensors oder Abstandssensors, der eine Spulenanordnung mit wenigstens einer Erregerspule und wenigstens einer Empfangsspule enthält, wobei eine elektrisch leitfähige Abschirmung vorgehen ist, die einen Abschirmbecher enthält, der die Spulenanordnung seitlich und auf der hinteren Seite umgibt. Das erfindungsgemäße Sensorelement des induktiven Näherungs- bzw. Abstandssensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Abschirmung weiterhin einen Flansch enthält, der auf der vorderen Seite des Sensorelements vorgesehen ist, der mit dem Abschirmbecher elektrisch leitend verbunden ist und der die Spulenanordnung vollständig umschließt.

Die Begriffe„vordere Seite" bzw.„hintere Seite" des Sensorelements sind in der vorliegenden Anmeldung stets in Bezug auf das Messobjekt zu betrachten, wobei die vordere Seite am nächsten zu Messobjekt liegen soll.

Das erfindungsgemäße Sensorelement ermöglicht einen großen Schaltabstand bzw. einen großen Annäherungsbereich eines Messobjekts, wobei das Messobjekt zusammen mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement den induktiven Näherungssensor bzw. induktiven Abstandssensor bildet.

Die seitliche und die auf der hinteren Seite des Sensorelements vorgesehene Abschirmung mittels des Abschirmbechers schirmt insbesondere die an der hinteren Seite des Sensorelements vorhandenen höherfrequenten elektromagnetischen Signalkomponenten ab, sodass die höherfrequenten Signalkomponenten der von den Erregerspulen abgestrahlten elektromagnetischen Felder metallische Oberflächen, beispielsweise Montagekomponenten, die auf der hinteren Seite des Sensorelements positioniert sind, nur abgeschwächt oder überhaupt nicht erreichen.

Die seitlichen Teile des Abschirmbechers schwächen insbesondere seitlich vor- handene höherfrequente elektromagnetische Signalkomponenten ab. Dadurch eignet sich das erfindungsgemäße Sensorelement insbesondere für einen bündigen Einbau in eine elektrisch leitfähige Fläche.

Der Flansch am vorderen Ende als Teil der Abschirmung, welche die Spulenanordnung vollständig umschließen soll, entkoppelt insbesondere die beiden Halbräume, die sich vor bzw. hinter der vorderen Seite des Sensorelements befinden. Die Abschirmungswirkung besteht insbesondere darin, dass sich in dem Flansch Wirbelströme ausbilden können. Der Flansch verhindert insbesondere eine Empfindlichkeit des Sensorelements gegenüber metallischen Objekten, die sich auf der hinteren Seite des Sensorelements befinden. Die Abschirmungswirkung des Flansches als Teil der Abschirmung unterstützt die Möglichkeit des vollständig bündigen Einbaus des erfindungsgemäßen Sensorelements in eine elektrisch leitfähige Fläche, wobei nur eine Aussparung im Bereich der Spulenanordnung des Sensorelements in der elektrisch leitfähigen Fläche vorhanden sein soll.

Das erfindungsgemäße Sensorelement kann mit einem vergleichsweise großen Breite-Tiefe- Verhältnis realisiert werden, sodass ein vergleichsweise großer Annä-herungs-Detektionsbereich bzw. ein großer Schaltabstand erreicht werden können.

Mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement kann eine frei konfigurierbare Sensorfunktion vorgegeben werden. Zum einen kann eine Material-Selektivität in Bezug auf das Material des Messobjekts vorgegeben werden. Gleichermaßen kann aber auch eine Unabhängigkeit vom Material des Messobjekts vorgegeben werden, die einem Faktor-1 -Betrieb entspricht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensorelements eines induktiven Näherungssensors bzw. des induktiven Abstandssensors sind jeweils Gegenstände von abhängigen Vorrichtungsansprüchen.

Eine erste Ausgestaltung sieht vor, dass der Abschirmbecher aus einem Stück ge- fertigt ist. Der Abschirmbecher kann daher kostengünstig, beispielsweise durch Tiefziehen hergestellt werden.

Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass der Abschirmbecher und der Flansch aus einem Stück gefertigt sind. Dadurch wird die Fertigung der gesamten Abschirmung aus Abschirmbecher und Flansch kostengünstig.

Der Flansch kann als ein massives metallisches Teil sein oder vorzugsweise als Metallfolie realisiert sein. Die Folie ermöglicht eine Kosteneinsparung.

Andere Ausgestaltungen betreffen die Spulenanordnung.

Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Spulenanordnung am hinteren Ende eine als Kompensationsspule eingesetzte Erregerspule enthält. Die auf der hinteren Seite des Sensorelements, bezogen auf die Detektionsrichtung, vorgesehene, als Kompensationsspule eingesetzte Erregerspule ermöglicht eine Kompensation insbesondere des Einflusses, der durch die hintere Seite des Abschirmbechers vorhanden ist. Insbesondere kann durch eine geeignete Festlegung des Kompensationsspulen-Erregerstroms hinsichtlich des Signalanstiegs und/oder des Strommaximums und/oder des Signalabfalls eine hohe Kompensation eines aufgrund der unsymmetrischen Abschirmung der Spulenanordnung auftretenden Hintergrundsignals erzielt werden, welches ohne Messobjekt gemessen wird.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Spulenanordnung auf Schichten einer Multi-layer-Platine angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ kann eine auf zumindest einer Schicht der Multilayer-Platine angeordnete Elektronikeinheit vorgesehen sein. Mit dieser Maßnahme ergibt sich eine möglichst kurze Leitungsführung der Verbindungsleitungen zwischen der Spulenanordnung und der Elektronikeinheit einschließlich der Elektronikeinheit. Mit dieser Maßnahme erhöht sich einerseits der Störabstand weiter und andererseits wird eine kostengünstige Realisierung des erfindungsgemäßen Sensorelements möglich.

Eine alternative oder weitere Einsparungsmöglichkeit ist dadurch gegeben, dass der hintere Teil des Abschirmbechers als eine metallische Schicht auf zumindest einer Schicht der Multilayer-Platine realisiert ist.

Die Montage der Spuleneinheit ist besonders einfach, wenn der Abschirmbecher mit der Multilayer-Platine verlötet wird. Entsprechend kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass der Flansch als zumindest eine metallische umlaufende Schicht auf der vordersten Schicht der Multilayer-Platine realisiert ist.

Eine einfache Montage wird auch dadurch erreicht, dass der Abschirmbecher wenigstens eine Auskragung zur Fixierung des Abschirmbechers an der Multilayer-Platine aufweist.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensorelements des induktiven Näherungssensors bzw. des induktiven Abstandssensors betreffen die Signalverarbeitung.

Vorzugsweise ist jede Erregerspule mit einer spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden, welche den Erregerstrom der Erregerspule bereitstellt. Die gesteuerte Stromquelle ermöglicht die gezielte Vorgabe von Kenngrößen des Erregerstroms wie beispielsweise der zeitliche Stromverlauf und/oder ein Strommaximum.

Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht vor, dass zu der Erregerspule bzw. zu sämtlichen Erregerspulen ein ohmscher Widerstand parallel geschaltet ist. Der parallel geschaltete Widerstand unterstützt aufgrund der ohmschen Komponente zusätzlich zur Induktivität der Erregerspule einen stabilen Betrieb der Stromquelle.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass am Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle ein Signalformer vorgesehen ist, der vorzugsweise als ein Bandpassfilter realisiert ist. Mit dieser Maßnahme wird eine einfache Stromsignal-Formung erzielt, ausgehend von einem Rechteck-Signal, welches beispielsweise von einem Micro-

Controller bereitgestellt wird. Das Bandpassfilter unterdrückt hochfrequente Signalkomponenten des ursprünglichen Rechteck-Signals, welchen die spannungsgesteuerte Stromquelle nicht folgen und in Sättigung bringen würde. Gleichzeitig werden niederfrequente Signalkomponenten und insbesondere die Gleichsignal-Komponente, welche zu sehr hohem Stromaufwand führen würden, der ebenfalls unerwünscht ist.

Eine diskontinuierliche Arbeitsweise der Stromquelle aufgrund eines Offsets der Stromquelle wird dadurch vermieden, dass auf den Ausgang des Signalformers eine Gleichspannung geschaltet ist. Eine Sättigung der Stromquelle in negativer Richtung wird dadurch wirkungsvoll vermieden, sodass zu jedem Zeitpunkt der Erregungsdauer zumindest ein geringer Erregerstrom fließt.

Zur Signalaufbereitung der von der wenigstens einen Empfangsspule bereitgestellten Messspannung ist vorzugsweise ein zweistufiger Verstärker vorgesehen. Hierbei sieht eine zweckmäßige Ausgestaltung vor, dass zumindest die erste Stufe des zweistufigen Verstärkers ein kondensatorgekoppelter Transimpedanz-Verstärker ist, dessen Verstärkungsfaktor durch passive Bauteile einstellbar ist, um eine Anpassung des Sensorelements an die Messaufgabe mit einfachen Mitteln zu ermöglichen.

Eine Weiterbildung der Ausgestaltung mit dem zweistufigen Verstärker sieht einen schaltbaren Signalabschwächer vor, der zwischen die beiden Verstärkerstufen geschaltet ist. Der Signalabschwächer ermöglicht eine besonders einfache Anpassung der am Ausgang der ersten Verstärkerstufen auftretenden Spitzenspannungen an die zweite Verstärkerstufe und verhindert dadurch wirkungsvoll eine Übersteuerung der zweiten Verstärkerstufe. Der Signalabschwächer wird vorzugsweise vom Microcontroller mit einer Zeitverzögerung in Bezug auf den Beginn eines Erregerstrompulses angesteuert, welche auf einen Wert festgelegt ist, bei welchem gezielt das Signalmaximum am Eingang der zweiten Verstärkerstufe abgesenkt werden kann.

Ein bereits erwähnter wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorelements wird dadurch erzielt, dass das Sensorelement mit der Spulenanordnung und der Abschirmung in einem Gehäuse angeordnet ist, welches eine größere Breite als Tiefe aufweist, wobei die Tiefe auf die Sensorrichtung bezogen ist. Ein solches Gehäuse ist besonders geeignet zum bereits erwähnten bündigen Einbau in eine größere Fläche, welche insbesondere aufgrund der Abschirmmaßnahmen metallisch leitfähig sein kann.

Das Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Sensorelements sieht eine Ermittlung des Abstands eines Messobjekts von dem Sensorelement oder eine Ermittlung der Annäherung eines Messobjekts an das Sensorelement vor.

Hierbei werden vorzugsweise der zeitliche Verlauf des in wenigstens einer Erregerspule fließenden Erregerstroms und/oder ein Maximum des Erregerstroms derart festgelegt, dass das in einem aus einer Messspannung gewonnenen Ausgangssignal enthaltene Hintergrundsignal, welches ohne Messobjekt vorhanden ist, minimiert wird. Die Einstellung des vorgegebenen zeitlichen Verlaufs des Erregerstroms und/oder des Maximums des Erregerstroms werden zweckmäßigerweise experimentell ermittelt. Die Minimierung des Hintergrundsignals ermöglicht hohe Verstärkung des messobjekt-induzierten Nutzsignals, ohne die zweite Verstärkerstufe in Sättigung zu bringen.

Bei der Signalauswertung kann zusätzlich eine digitale Subtraktion des Hintergrundsignals vom Ausgangssignal vorgenommen werden.

Eine optimale Anpassung an die Messaufgabe kann dadurch erfolgen, dass der zeitliche Verlauf des Erregerstroms und/oder das Maximum des Erregerstroms derart festgelegt werden, dass die Empfindlichkeit des Ausgangssignals in Bezug auf ein bestimmtes Messobjekt maximiert wird. Die wenigstens eine Kenngröße des Erregerstroms wird vorzugsweise experimentell ermittelt. Sofern mehrere

Kenngrößen festzulegen sind, werden vorzugsweise sämtliche Kenngrößen experimentell ermittelt.

Eine weitere Verbesserung beim Betreiben des erfindungsgemäßen Sensorelements wird dadurch erzielt, dass zusätzlich die Temperatur der Erregerspule bei der Festlegung des zeitlichen Verlaufs des Erregerstroms und oder des Maximums des Erregerstroms berücksichtigt wird. Die Temperatur kann beispielsweise mit einem Sensor gemessen oder aus einer Messung des Innenwiderstands der Erregerspule berechnet werden.

Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit, das Nutzsignal/Hintergrund-Verhältnis zu optimieren besteht darin, dass sämtliche Erregerspulen gleichzeitig mit einem jeweiligen Stromimpuls beaufschlagt werden.

Aufgrund der Tatsache, dass unterschiedliche Materialien des Messobjekts zu unterschiedlichen Maxima und zeitlichen Verläufen des Ausgangssignals führen, kann der induktive Abstandssensor bzw. der induktive Näherungssensor zur Ermittlung der magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Messobjekts anhand einer Bewertung des Ausgangsignals hinsichtlich der Maxima und/oder des zeitlichen Signalverlaufs herangezogen werden. Hierzu werden bei bekanntem Abstand die interessierenden Messobjekte ausgemessen und die resultierenden Ausgangssignale zum späteren Vergleich gespeichert.

Es ist daher möglich, das Sensorelement abhängig von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Materials des Messobjekts zu betreiben. Alternativ hierzu ist es aber auch insbesondere möglich, das Sensorelement unabhängig von diesen Eigenschaften des Messobjekts zu betreiben, sodass ein sogenannter Fak-tor-1 -Betrieb vorgesehen werden kann, bei welchem das Messergebnis unabhängig vom Material des Messobjekts bereitgestellt wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensorelements ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine teilweise geschnittene isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements,

Figur 2 zeigt eine isometrische Ansicht des Sensorelements mit Lötstellen und Lötverbindungen gemäß einer anderen Ausgestaltung,

Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung eines Flansches als Teil einer Abschirmung des Sensorelements,

Figur 4a zeigt eine isometrische Ansicht des Gehäuses,

Figur 4b zeigt eine Explosionszeichnung eines Gehäuses, in welches das Sensorelement eingebaut ist,

Figur 5 zeigt eine Verschaltung einer Spulenanordnung des erfindungsgemäßen Sensorelements,

Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Elektronikeinheit zum Betreiben des Sensorelements,

Figur 7 zeigt zwei Signalverläufe eines Ausgangssignals,

Figur 8 zeigt vier Signalverläufe eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von einem Messobjekt, dessen Annäherung an das Sensorelement oder dessen Abstand vom Sensorelement erfasst werden soll und

Figur 9 zeigt drei solcher Signalverläufe eines Ausgangssignals in Abhängigkeit vom Messobjekt.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine teilweise geschnittene isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements 10. Das Sensorelement 10 ist Teil eines induktiven Nähe- rungssensors, bei dem die Annäherung eines Messobjekts 14 an das Sensorelement 10 erfasst wird, oder Teil eines induktiven Abstandssensors, bei welchem der Abstand 16 des Messobjekts 14 von dem Sensorelement 10 erfasst wird.

Das Messobjekt 14 befindet sich, bezogen auf die Messrichtung 18, auf der vorderen Seite des Sensorelements 10, wobei die Annäherung des Messobjekts 14 bzw. der Abstand 16 des Messobjekts 14 von dem Sensorelement 10 in Bezug auf eine Sensorfläche 20 betrachtet wird, die auf der vorderen Seite des Sensorelements 10 vorzugsweise bündig mit einem Flansch 22 des Sensorelements 10 ausgebildet sein soll.

Der Flansch 22 ist Teil einer Abschirmung, welche weiterhin einen Abschirmbecher 24 enthält, der eine Spulenanordnung 26 seitlich und auf der hinteren Seite der Spulenanordnung 26 in Bezug auf die Messrichtung 18 umgibt. Die den Flansch 22 und den Abschirmbecher 24 enthaltende Abschirmung ist aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt.

Der Abschirmbecher 24 ist beispielsweise aus Messing oder einem anderen elektrisch gut leitfähigen Material gefertigt. Die Materialdicke kann beispielsweise im Bereich von 1 Millimeter liegen. Das Material ist bevorzugt nicht ferromagnetisch, kann jedoch auch ferromagnetisch sein. Der Abschirmbecher 24 schirmt insbesondere hochfrequente Signalanteile auf der hinteren Seite des Sensorelements 10 ab. Dadurch erreichen zumindest die höherfrequenten Signalanteile gegebenenfalls auf der hinteren Seite des Sensorelements 10 angeordnete Metallteile, wie beispielsweise Montageteile nicht. Weiterhin verhindert der Abschirmbecher 24 elektromagnetische Anregungen seitlich um die Spulenanordnung 26 herum. Dadurch wird ein bündiger Einbau des erfindungsgemäßen Sensorelements 10 in eine Fläche, die metallisch leitfähig sein kann, möglich.

Der die Abschirmung vervollständigende Flansch 22, der die Spulenanordnung 26 vollständig umschließt, ermöglicht die Ausbildung von Wirbelströmen. Der Flansch 22 sollte sich möglichst weit bis an die Grenzen eines nachfolgend gezeigten Sensorgehäuses erstrecken. Der Flansch 22 bewirkt eine elektromagnetische Trennung der beiden Halbräume auf der vorderen Seite und auf der hinteren Seite des Flansches 22, bezogen auf das Messobjekt 14. Das elektromagnetische Feld von Erregerspulen T, C welche sich bis auf die hintere Seite des Abschirmbechers 24 erstrecken würden, werden vom Flansch 22 aufgrund der Ausbildung von Wirbelströmen im Flansch 22 wirksam unterdrückt. Eine Empfindlichkeit des Sensorelements 10 gegenüber metallischer Gegenstände, die auf der hinteren Seite des Sensorelements 10 vorhanden sind und die als Messobjekt wirken würden, werden dadurch wirksam unterdrückt.

Der Abschirmbecher 24 ist vorzugsweise einstückig ausgeführt, wobei der Abschirmbecher 24 beispielsweise durch Tiefziehen eines kreisrunden Metallteils hergestellt werden kann. Der Abschirmbecher 24 ist mit dem Flansch 22 elektrisch leitfähig verbunden. Vorzugsweise ist deshalb vorgesehen, dass auch der Abschirmbecher 24 und der Flansch 22 einstückig gefertigt sind. Der Flansch 22 kann beispielsweise als Metallfolie realisiert sein, welche zumindest an einigen, nicht näher gezeigten Verbindungsstellen mit dem Abschirmbecher 24 elektrisch kontaktiert ist.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Spulenanordnung 26 mittels einer Multilayer-Platine 28 realisiert ist, wobei im Ausführungsbeispiel von vier Schichten der Multilayer-Platine 28 ausgegangen wird.

Die Multilayer-Platine 28 ist ein einstückiges Bauteil. Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die vier Schichten der Multilayer-Platine 28 jedoch mit einem Abstand zueinander gezeigt, der in der Praxis als Optimierungsparameter behandelt und leiterplattentechnisch gesichert wird.

Auf der vorderen Seite der Spulenanordnung 26 ist eine erste Empfangsspule R+ vorgesehen, gefolgt von der ersten Erregerspule T, weiterhin gefolgt von einer zweiten Empfangsspule R- und gefolgt von einer zweiten Erregerspule C auf der

hinteren Seite der Spulenanordnung 26. Die zweite Erregerspule C wird im Folgenden als Kompensationsspule C bezeichnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Spulen R+, T, R-, C jeweils auf einer Schicht der Multilayer-Platine 28 angeordnet. Zweckmäßigerweise wird eine achtlagige Multilayer-Platine 28 vorgesehen, wobei die Spulen R+, T, R-, C auf je zwei benachbarten Schichten verteilt herausgebildet werden. Rein prinzipiell ist es auch möglich, dass zwei oder mehr Spulen R+, T, R-, C auf einer einzigen Schicht der Multilayer-Platine 28 angeordnet sind.

Figur 2 zeigt ebenfalls eine isometrische Rückansicht des erfindungsgemäßen Sensorelements 10. Diejenigen Teile, die mit den in Figur 1 gezeigten Teilen übereinstimmen, sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Vereinbarung gilt auch für die folgenden Figuren.

Figur 2 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements 10, bei welchem auf der hinteren Seite der Multilayer-Platine 28 Lötflächen 30 vorgesehen sind, auf denen der Abschirmbecher 24 mittels Lötverbindungen 34 verlötet ist. Mittels der Multilayer-Platine 28 ist gleichzeitig der Flansch 22 herausgebildet.

Zusätzlich oder alternativ können auch eine oder mehrere in Figur 2 nicht näher gezeigten Auskragungen des Abschirmbechers 24 vorgesehen sein, die in entsprechenden Vertiefungen der Multilayer-Platine 28 eindringen können, wodurch sowohl die mechanische Festigkeit als auch die richtige Positionierung des Abschirmbechers 24 bezüglich der Spulenanordnung 26 sichergestellt werden können.

Gemäß einer Ausgestaltung kann auf einer oder mehreren Schichten, im gezeigten Ausführungsbeispiel auf der hintersten Schicht der Multilayer-Platine 28 eine Elektronikeinheit 32 vorgesehen sein, welche mit den Spulen R+, T, R-, C elektrisch verbunden ist, wobei sich eine kürzestmögliche Leitungsführung ergibt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind jedoch derartige Verbindungen der Spulen R+, T, R-, C mit der Elektronikeinheit 32 nicht gezeigt. In Figur 1 sind zur Verallgemeinerung nicht näher bezeichnete Anschlusspunkte der Spulen R+, T, R-, C der Spulenanordnung 26 eingetragen.

Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung des Flansches 22, bei welcher der Flansch 22 als eine leitfähige Metallfolie ausgestaltet ist, welche auf der Vorderseite der Multilayer-Platine 28 oder in der Innenseite eines vorderen Gehäuseteils beispielsweise durch Kleben befestigt ist. Vorteilhafterweise wird der gesamte Flansch 22 - wie in Figur 2 gezeigt - aus den Schichten der Multilayer-Platine 28 gebildet. Rein prinzipiell können auch Schichten der Multilayer-Platine 28 noch im Abschirmbecher 24 liegen. Der Flansch 22 weist eine kreisförmige Öffnung 40 im Bereich der Spulenanordnung 26 auf.

In Figur 3 ist eine Ausgestaltung des Flansches 22 gezeigt, an dessen Ecken wenigstens eine Ausnehmung 46 und/oder wenigstens eine Abschrägung 48 vorgesehen sind. Die Ausnehmung 46 bzw. Abschrägung 48 ermöglicht eine einfache Montage des Sensorelements 10 in einem Gehäuse.

Figur 4a zeigt eine isometrische Ansicht des zusammengebauten Gehäuses 50. Das Gehäuse 50 enthält ein hinteres Gehäuseteil 54 und ein vorderes Gehäuseteil 56. Aufgrund der Abschirmung 22, 24 kann das Sensorelement 10 bzw. das Gehäuse 50 eine vergleichsweise große Breite 42 im Vergleich zur Tiefe 44 aufweisen, wobei die Tiefe 44 auf die Messrichtung 18 bezogen ist. Dadurch wird ein großer Annäherungsbereich des Messobjekts 14 an das Sensorelement 10 bzw. ein großer Abstand 16 des Messobjekts 10 von dem Sensorelement 10 möglich, bei welchem ein Schalten des Sensorelements 10 auftritt.

Das Gehäuse 50 weist beispielsweise eine Breite 42 von 40 Millimetern auf und kann quadratisch ausgestaltet sein. Hierbei kann die Tiefe 44 beispielsweise 10 Millimeter betragen. Bei diesen Abmessungen kann der Annäherungsbereich des Messobjekts 14 an das Sensorelement 10 bzw. der Abstand 16, bei welchem das

Sensorelement 10 bei Anwesenheit des Messobjekts 14 schaltet, im Bereich von einigen 10 Millimetern, beispielsweise bei 20 Millimetern liegen.

Figur 4b zeigt eine Explosionszeichnung eines solches Gehäuses 50, in welches das Sensorelement 10 eingebaut wird. Das Gehäuse 50 mit dem Sensorelement 10 bildet einen induktiven Näherungssensor 52, bei dem die Annäherung des Messobjekts 14 an das Sensorelement 10, oder bildet einen induktiven Abstandsensor 52, bei dem der Abstand 16 des Messobjekts 14 von dem Sensorelement 10 jeweils erfasst wird.

In beiden Gehäuseteilen 54, 56 sind zu den Ausnehmungen 46 korrespondierende Ausformungen 58 vorgesehen. Insbesondere im vorderen Gehäuseteil 56 ist eine zur Abschrägung 48 korrespondierende Ausformung 59 vorgesehen.

Die Abschrägung 48 verhindert eine falsche Positionierung des Sensorelements 10 im Gehäuse 50. Die Abschrägung 48 und die Ausnehmungen 46 des Flansches 22 ermöglichen eine zuverlässige Fixierung des Sensorelements 10 im Gehäuse 50.

Bei dem in Figur 4b gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Multilayer-Platine 28 Aussparungen 55, in welche im montierten Zustand des Sensorelements 10 korrespondierende Auskragungen 57 des Abschirmbechers 24 eingreifen.

Erforderliche Verbindungskabel und/oder Steckereinsätze des induktiven Näherungssensors 52 sind aus Gründen der Vereinfachung in den Figuren nicht dargestellt.

Figur 5 zeigt ein schematisches Schnittbild durch die Spulen R+, T, R-, C sowie deren Verschaltung. Die Spulen R+, T, R-, C können auf unterschiedlichen Schichten der nicht näher gezeigten Multilayer-Platine 28 angeordnet sein. Mit den im

Schnittbild gezeigten Rechtecken soll angedeutet werden, dass die Spulen R+, T, R-, C eine Vielzahl von Windungen aufweisen können. Im gezeigten Ausführungs- beispiel wird davon ausgegangen, dass die beiden Empfangsspulen R+, R- bezogen auf die Messrichtung 18 gegensinnig geschaltet und in Serie geschaltet sind. Die gegensinnige Verschaltung soll auch durch die Bezeichnungen mit R+ bzw. R-zum Ausdruck gebracht werden. Wie bereits erwähnt, können die Spulen R+, T, R-C vorzugsweise auf je zwei benachbarten Schichten einer achtlagigen Multilayer-Platine 28 verteilt angeordnet werden.

Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild der Elektronikeinheit 32 zum Betreiben des Sensorelements 10. Ein Microcontroller 58 stellt ein erstes und zweites rechteckförmi-ges Ausgangssignal 60, 62 bereit, aus welchen Erregerströme iT, iC der Erregerspulen T, C gewonnen werden.

Die beiden rechteckförmigen Ausgangssignale 60, 62 werden einem ersten bzw. einem zweiten Signalformer 66, 68 zur Verfügung gestellt, die beispielsweise jeweils als Bandpassfilter realisiert sind. Die Signalformer 66, 68 formen aus den rechteckförmigen Ausgangssignalen 60, 62 stetig verlaufende Erregerströme iT, iC mit jeweils einem vorgegebenen zeitlichen Stromverlauf. Die Signalformer 66, 68 sind beispielsweise als passive Bandpassfilter realisiert. Die Bandpassfilter unterdrücken zunächst höherfrequente Signalkomponenten der ursprünglichen rechteck förmigen Ausgangssignale 60, 62. Dadurch wird eine Sättigung von nachfolgenden elektronischen Komponenten verhindert, die aufgrund der steilflankigen Signale auftreten könnte. Weiterhin unterdrücken die Bandpassfilter niederfrequente Signalkomponenten der ursprünglichen rechteckförmigen Ausgangssignale 60, 62, insbesondere deren DC-Teil, der wegen des entsprechenden konstanten Stromanteils der Erregerströme iT, iC keine Messinformation generiert, aber einen ungewünschten Beitrag zum Energieverbrauch des Gesamtsystems liefert. Die Eckfrequenzen der Bandpassfilter können beispielsweise zwischen zehn und ein paar hundert Kilohertz liegen.

Die Erregerströme iT, iC werden von spannungsgesteuerten Stromquellen 70, 72 bereitgestellt. Eine Sättigung der spannungsgesteuerten Stromquellen 70, 72 kann nicht nur durch eine zu steilflankige Ansteuerung auftreten, sondern auch durch einen diskontinuierlichen Betrieb, bei welchem die Erregerströme iT, iC bis auf null fallen würden. Dieser Fall könnte auftreten, wenn die Ansteuersignale 74, 76 der spannungsgesteuerten Stromquellen 70, 72 entweder bis auf null fallen oder wenn die spannungsgesteuerten Stromquellen 70, 72 einen Eingangsspannungs-Offset aufweisen. Vorzugsweise wird deshalb zu den Ausgangssignalen 78, 80 der Signalformer 66, 68 jeweils eine Gleichspannung 82 addiert, damit die Erregerströme iT, iC zu keinem Zeitpunkt während der Dauer der Erregung und Datenerfassung bis auf null abfallen können. Hierzu sind Addierer 84, 86 vorgesehen, welche die von einer Gleichspannungsquelle 88 bereitgestellte Gleichspannung 82 jeweils zu den Ausgangssignalen 78, 80 der Signalformer 66, 68 addieren. Die Addierer 84, 86 stellen die Ansteuersignale 74, 76 der spannungsgesteuerten Stromquellen 70, 72 bereit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Erregerströme iT, iC in Abhängigkeit von der Temperatur der Spulenanordnung 26 festgelegt werden können. Hierzu wird das Ausgangssignal 92 einer Temperaturermittlung 94 dem Microcontroller 58 zur Verfügung gestellt, welcher die Maxima der Erregerströme iT, iC durch die Änderung der Amplitude wenigstens eines rechteckförmi-gen Ausgangssignals 60 oder 62 in Abhängigkeit von der Temperatur der Spulenanordnung 26 erhöht oder vermindert. Die Temperatur der Spulenanordnung 26 kann beispielsweise anhand einer Innenwiderstands-Messung zumindest einer Spule R+, T, R-, C erfolgen. Gegebenenfalls kann ein nicht näher gezeigter Temperatursensor vorgesehen sein.

Die Erregerströme iT, iC fliesen durch die erste Erregerspule T bzw. durch die weite, als Kompensationsspule wirkende zweite Erregerspule C zu einer Schaltungsmasse 96.

Gemäß einer Ausgestaltung sind Parallel-Widerstände 98, 99 vorgesehen, die parallel zu den Erregerspulen T, C geschaltet sind. Ein solcher Parallel-Widerstand 98, 99 stellt eine stabile Arbeitsweise der spannungsgesteuerten Stromquelle 70, 72 aufgrund der zusätzlich zur Induktivität der Erregerspule T, C vorhandenen ohmschen Komponente im Lastkreis sicher. Die Erregerströme iT, iC werden beispielsweise von jeweils einem in den spannungsgesteuerten Stromquellen 70, 72 enthaltenen Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor bereitgestellt, welche mit einem Operationsverstärker angesteuert werden. Die Induktivitäten der Erregerspulen T, C liegen beispielsweise im Bereich von 12 Mikrohenry und weisen beispielsweise einen ohmschen Widerstand von 18 Ohm bei Raumtemperatur auf. Die Pa-rallel-Widerstände 98, 99 werden beispielsweise auf einen Wert zwischen 100 -470 Ohm festgelegt.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Empfangsspulen R+, R- in Serie miteinander gegensinnig geschaltet sind. Die in die Empfangsspulen R+, R- induzierte Messspannung 100 wird einem Verstärker 102 zur Verfügung gestellt, der vorzugsweise zweistufig realisiert ist. Die erste Verstärkerstufe 104 des Verstärkers 102 ist vorzugsweise als kondensatorgekoppelter Transimpedanz-Verstärker realisiert. Zwischen der ersten Verstärkerstufe 104 und der zweiten Verstärkerstufe 106 ist vorzugsweise ein digital schaltbarer Signalabschwächer 108 vorgesehen, der eine Signalanpassung an die zweite Verstärkerstufe 106 ermöglicht.

Die Microcontroller 58 enthält einen Funktionsblock 1 10, welcher ein digitales Steuersignal 1 12 für den Signalabschwächer 108 bereitstellt. Das digitale Steuersignal 1 12 wird vom Funktionsblock 1 10 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal U des Verstärkers 102 festgelegt, und zwar derart, dass eine Übersteuerung der zweiten Verstärkerstufe 106 des Verstärkers 102 vermieden wird. Die Festlegung des digitalen Steuersignals 1 12 wird zweckmäßigerweise adaptiv vorgenommen. Das digitale Steuersignal 1 12 schwächt vorzugsweise nicht das gesamte Signal gleichmäßig ab. Vorteilhafterweise ist eine Zeitverzögerung in Bezug zum Beginn eines Erregerstrompulses iT, iC vorgesehen, welche dafür sorgt, dass die Ab-schwächung nur im Bereich des Signalmaximums des zwischen den beiden Ver-

stärkerstufen 104, 106 des Verstärkers 102 auftretenden Signals wirksam ist. Damit wird einerseits eine hohe gesamte Verstärkung der Messspannung 100 sichergestellt, jedoch eine Übersteuerung der zweiten Verstärkerstufe 106 vermieden.

Figur 7 zeigt ein mögliches Ausgangssignal U des Verstärkers 102 in Abhängigkeit von der Zeit t. Der erste zeitliche Signalverlauf 120, der mit der durchgezogenen Linie dargestellt ist, entspricht einem zeitlichen Signalverlauf, der ohne die zweite, als Kompensationsspule wirkende Erregerspule C auftreten würde. Der zweite zeitliche Signalverlauf 122, der mit der unterbrochenen Linie dargestellt ist, wird mit der als Kompensationsspule wirkenden zweiten Erregerspule C erzielt, die mit einem Erregerstrom iC betrieben wird, dessen zeitlicher Verlauf und dessen Amplitude vom zeitlichen Verlauf bzw. vom Maximum des Erregerstroms iT der ersten Erregerspule T abweichen kann. Der zweite zeitliche Signalverlauf 122 entspricht beispielsweise dem minimal erzielbaren Hintergrundsignal ohne vorhandenes Messobjekt 14. Das Ausgangssignal U ist mit relativen Einheiten dargestellt, wobei die Zahlenangaben jedoch Volt-Angaben entsprechen können.

Zur weiteren Kompensation kann der in Figur 7 gezeigte zweite zeitliche Signalverlauf 122, der dem Hintergrundsignal entspricht, vom Ausgangssignal U abgezogen werden. Ein temperaturabhängiges Hintergrundsignal kann weiterhin vom Ausgangssignal U zur Temperaturkompensation subtrahiert werden. Das temperaturabhängige Hintergrundsignal kann experimentell ermittelt oder vom Mikrokontroller 58 in Abhängigkeit von der Temperatur aus gespeicherten Temperaturkoeffizienten berechnet werden.

Figur 8 zeigt vier zeitliche Signalverläufe 140 - 146 in Abhängigkeit von der Zeit t, die bei verschiedenen Messobjekten 14 bei gleichem Abstand 16 auftreten. Die durchgezogene Linie entspricht einem ersten zeitlichen Signalverlauf 140, der bei einem nicht vorhandenen Messobjekt 14 auftritt. Der erste zeitliche Signalverlauf 140 entspricht somit dem Hintergrundsignal, das vorzugsweise im Microcontroller 58 vom Ausgangssignal U subtrahiert wird. Der zweite zeitliche Signalverlauf 142

entspricht beispielsweise einem Messobjekt 14 aus Stahl, der dritte zeitliche Signalverlauf 144 entspricht beispielsweise einem Messobjekt 14 aus Aluminium und der vierte zeitliche Signalverlauf 146 entspricht beispielsweise einem Edelstahl-Messobjekt 14. Das aus der Messspannung 100 gewonnene Ausgangssignal U ist in relativen Einheiten dargestellt, wobei die Zahlenangeben jedoch beispielsweise Volt-Angaben sein können.

In Figur 9 sind die des zweiten, dritten und vierten zeitlichen Signalverlaufs 142 -146 entsprechenden Verläufe 156, 158, 160 dargestellt, wobei die Verläufe 156, 158, 160 jeweils durch Subtrahieren des Hintergrundsignals 140 von den Signalverläufen 142, 144, 146 berechnet sind, und wobei die ersten Signalmaxima 150, 152, 154 der zeitlichen Signalverläufe 156, 158, 160 sowie die Zeitpunkte t1 , t2, t3 eingetragen sind, an welchen die ersten Signalmaxima 150, 152, 154 auftreten. Weiterhin treten zu bestimmten, nicht näher eingetragenen Zeiten Signalminima der Signalverläufe 156, 158, 160 auf.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass Messobjekte 14 aus unterschiedlichem Material bei einem vorgegebenen Abstand 16 vermessen werden und die sich ergebenden zeitlichen Signalverläufe 142, 144, 146 oder 156, 158, 160 in einem nicht näher gezeigten Speicher des Microcontroller 58 zum späteren Vergleich mit dem Ausgangssignal U des Verstärkers 102 hinterlegt werden.

Aus den Figuren 8 und 9 ist unmittelbar ersichtlich, dass das Sensorelement 10 mit hinterlegten Referenz-Signalverläufen derart betrieben werden kann, dass eine Erkennung des Materials des Messobjekts 14 möglich ist. Dadurch können unterschiedliche Messobjekte 14 voneinander unterschieden werden. Eine Identifizierung des Materials des Messobjekts 14 ist einfach anhand einer Ermittlung der unterschiedlichen Zeitpunkte t1 , t2, t3 möglich, an welchen die ersten Signalmaxima 150, 152, 154 der zeitlichen Signalverläufe 156, 158, 160 auftreten. Alternativ oder zusätzlich können eine Erfassung und ein Vergleich der Signalmaxima 150, 152, 154 vorgenommen werden. Weiterhin alternativ oder zusätzlich können auch die in Figur 9 nicht näher eingetragenen Signalminima, die ebenfalls zu bestimmten Zeiten auftreten, erfasst und für den Vergleich herangezogen werden.

Insbesondere kann das erfindungsgemäße Sensorelement 10 aber auch unabhän-gig vom Material des Messobjekts 14 betrieben werden, womit ein sogenannter

Faktor-1 -Betrieb des induktiven Abstandssensors bzw. induktiven Näherungssensors möglich wird. In diesem Fall wird ebenfalls ein Vergleich der zeitlichen Signalverläufe 142, 144, 146 oder 156, 158, 160 mit in einem Speicher hinterlegten Referenz-Signalverläufen vorgenommen, wobei jedoch in diesem Fall nicht nach dem Material des Messobjekts 14 unterschieden wird, sondern unabhängig vom Material des Messobjekts 14 die Annäherung des Messobjekts 14 an das Sensorelement 10 ermittelt bzw. ein bestimmter Abstand 16 des Messobjekts 14 vom Sensorelement 10 erkannt wird, bei welchem das Sensorelement 10 schaltet.