An die Grenzen der Physik

Die moderne Automatisierungstechnik verlangt leistungsfähige Sensorik, die sich auch unter beengten Platzverhältnissen und an unzugänglichen Stellen schnell und unkompliziert integrieren lässt. Induktive Näherungsschalter in metrischen Gewindegehäusen

Was bei induktiven Näherungsschaltern möglich ist, wenn sich Know-how in Elektromechanik, Elektronik und Fertigungstechnik mit langjähriger Erfahrung paart, beweist der Sensorikspezialist Balluff mit seinen neuesten Entwicklungen. Mit kleineren Abmessungen, größeren Schaltabständen und hochintegrierter Elektronik stoßen die Sensoren in neue Bereiche vor. Die Präzision der Auswertung und eine intelligente Temperaturkompensation erlauben es, mit kleinen Signalen zu arbeiten, wie man sie sonst nur von Präzisions-Messgeräten kennt. Feinwerk- und Messtechnik sind eine erstaunliche Symbiose eingegangen, die sich nicht nur nahe an dem bewegt, was physikalisch überhaupt möglich ist, sondern sich dank modernster Fertigungstechnologie auch noch in Serie zu den sensorüblichen Preisen produzieren lässt.
 Grundlage dafür lieferten beispielsweise mächtige Simulationswerkzeuge für die Optimierung von Spule und Ferrit, die alle relevanten Parameter berücksichtigen können. Ein System mit circa 20 freien Variablen lässt sich schließlich nicht allein durch praktische Versuche im erforderlichen Maße optimieren. Miniaturisierung von Sensoren verlangt außerdem die Beherrschung der Flip-Chip-Technologie. Nur mit ihr ist es zur Zeit möglich, komplette Auswerteeinheiten mit Verstärker in ein Gehäuse mit 3 mm Außendurchmesser zu integrieren. Man spart den verhältnismäßig großen Platz für die Bondpunkte. Gleichzeitig erhöht sich die EMV-Sicherheit, weil die Antennenwirkung der Bonding-Drähte wegfällt. Die Vorteile, die sich durch die darauf basierenden Entwicklungen ergeben, sind beträchtlich, wie die folgenden Beispiele zeigen.

Beispiel Miniturisierung:
Ist der Einbauplatz knapp bemessen, müssen sich induktive Näherungsschalter möglichst klein machen. Typische Bereiche sind beispiels-weise Handhabungsautomaten oder die Robotik. Wer allerdings Miniatursensoren einsetzt,
hat häufig Schwierigkeiten mit deren kleinen Schaltabständen, die eine extrem präzise
Montage mit geringsten Toleranzen verlangen. Hier ist man mit den neuen miniaturisierten induktiven Näherungsschaltern gut beraten: Bei der kleinen Bauform XS beträgt bei nur
4 mm Durchmesser der Schaltabstand beispiels-weise immerhin 1,5 mm, also mehr als das Doppelte des Standards. Wo es Platzprobleme gibt, können diese Sensoren oft größere Bauformen ersetzen. Hochintegrierte Elektronik in Flip-Chip-Technologie und präzise Feinwerktechnik ermöglichten aber noch eine Steigerung.
 Für alle Anwendungen, die noch kleinere Sensoren mit trotzdem hohen Schaltabständen erfordern, wurden mit der X2S-Familie Näherungsschalter entwickelt, die mit 1 mm Schaltabstand bei nur 3 mm Durchmesser und 27 mm Länge in ihrer Klasse zur Zeit führend sind. Der Sensor ist so schlank wie das Anschluss-kabel, der Schaltabstand fast doppelt so groß wie sonst bei solchen Geräten üblich. Trotz der geringen Abmessungen ist die gesamte Auswerteelektronik und sogar eine Leuchtdiode zur Anzeige des Schaltzustands integriert. Typische Anwendungsbereiche für die leistungs-fähigen „Zwerge“ gibt es viele, zum Beispiel bei kleinen Handlingautomaten und Greifeinrichtungen im Montagebereich. Oftmals können sie auch herkömmliche, größere Ausführungen ersetzen, beispielsweise um bei bewegten Anlagenteilen das Gewicht zu reduzieren.

Beispiel induktive Näherungssehalter mit 4-fachem Schaltabstand:
Als Problemlöser für Anwendungen, die große mechanische Einbautoleranzen und große Schaltabstände, wie zu bewegten Objekten, verlangen, wurden die induktiven Näherungsschalter der Serie Hyperprox entwickelt. Sie arbeiten mit dem 4-fachen Standard-Schaltabstand, das heißt, Sensoren im M12-Gehäuse detektieren über eine Distanz von 8 mm, bei den schlanken D6,5-Ausführungen liegt der maximale Schaltabstand bei 4 mm. Für viele Anwendungen ergeben sich dadurch gänzlich neue Möglichkeiten, zumal die Sensoren häufig die sogenannten Faktor-1-Schalter ersetzen können. Nach Untersuchungen in der Praxis ist meist nicht die unterschiedliche Reichweite bei verschiedenen Metallen das Problem beim Einsatz induktiver Sensoren, sondern ihre zu geringe Reichweite. Aluminium, bei dem mit einem Reduktionsfaktor von circa 60 Prozent gerechnet werden muss, ist hierfür ein typisches Beispiel. Hyperprox-Schalter mit Schaltabstand von
8 mm bei Stahl erreichen dann immer noch einen Wert von über 3 mm.
Die Entwicklung solch leistungsfähiger Sensoren ist allerdings nur mit einer gehörigen Portion Know-how möglich. So liegt der Signalhub bei den Ausführungen mit vierfachem Schaltabstand lediglich bei etwa
1 Prozent des Messsignals. Bei konventionellen Näherungsschaltern sind dagegen 20 Prozent üblich. Eine intelligente Temperaturkompensation und hochwertige Elektronik mit einer Temperaturdrift von weniger als 100 ppm/K garantieren hier jedoch Zuverlässigkeit. Auch alle EMV-Tests haben die Sensoren mit Bravour bestanden. Sie entsprechen damit den Anforderungen, die man sonst nur an teure Messgeräte zu stellen gewohnt ist. Dank moderner Fertigungstechnik und ausgereiften ASIC-Bausteinen, mit denen sich auch eine erstaunliche Variantenvielfalt beherrschen lässt, werden sie aber dennoch unter Serienbedingungen gefertigt. Die Entwicklung ist aber noch keineswegs am Ende. Für die Zukunft sind noch kleinere Sensoren zu erwarten, die ebenfalls mit dem 4-fachen Schaltabstand arbeiten.

Beispiel programmierbare Analogsensoren in kleiner Bauform:
Speziell für den Einsatz in induktiven Sensoren entwickelte ASICs ermöglichten auch bei Analogsensoren für viele Applikationen interessante Weiterentwicklungen. Ihr Einsatzsspektrum in der Montage- und Handhabungstechnik ist groß. Sie eignen sich für Abstands- und Dickemessungen ebenso, wie für Zähl- und Überwachungsaufgaben, Welligkeitserkennung, zum Positionieren oder Sortieren. Ihr lineares Spannungs- beziehungsweise Stromsignal ändert sich proportional zum Abstand zwischen Bedämpfungselement und aktiver Fläche. Dank der hochintegrierten Elektronik gibt es die vielseitigen Sensoren erstmals auch im schlanken M8-Gehäuse. Auch bei den M12-, M18- und M30-Ausführungen hat die weiterentwickelte Elektronik unübersehbare Spuren hinterlassen. Die Baulänge konnte drastisch reduziert werden.
 Die Analogwerte von Sensoren werden in der Praxis häufig in nachfolgenden Schaltgeräten ausgewertet. Um dem Anwender diesen zusätzlichen Aufwand zu ersparen, hat Balluff einen M18-Sensor mit Analogausgang und zusätzlich drei integrierten Schaltausgängen entwickelt. Das heißt, der Sensor eignet sich sowohl für messende Applikationen als auch für eine Auswertung von Messbereichen. Der Anwender spart auf diese Weise Kosten, der Verdrahtungsaufwand reduziert sich und im Schaltschrank muss kein Platz für ein Schaltgerät vorgesehen werden. Die Schaltpunkte lassen sich unabhängig voneinander vor Ort im Teach-In-Verfahren einstellen. Der Messbereich liegt bei 1 bis
5 mm. Integrierte LEDs signalisieren den jeweiligen Zustand des Schaltausgangs. Bei einfachen Anwendungen kann man dadurch oft sogar auf eine SPS verzichten und somit deutlich Kosten sparen.