DE10131243C1

DE10131243C1 - Kapazitiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE10131243C1
Application number: DE2001131243
Authority: DE
Inventors: Luer Luetkens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: WO2003003581A1

Abstract

Ein kapazitiver Näherungsschalter mit zwei Sensorelektroden (101, 201), deren Differenzsignal auf eine Änderung der Kapazität der Elektroden (101, 201) durch einen sich nähernden Körper ausgewertet wird, wobei eine der Sensorelektroden (101) gegenüber der anderen Sensorelektrode (201) nach außen vorsteht. Der Schalter weist außerdem vorzugsweise Einrichtungen (106, 107) zur Überwachung seiner sicheren Funktion auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Näherungsschalter mit zwei jeweils durch eine Abschirmelektrode gegen Masse abge schirmten Sensorelektroden, wobei die Sensorelektroden jeweils mit dem Eingang eines Verstärkers und die Abschirmelektroden mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden sind, und mit einer Auswerteschaltung für das Differenzsignal der beiden Sensor elektroden, die mindestens einen elektrischen Schalter, bei spielsweise einen Transistor, einen Thyristor oder ein Relais ansteuert.

Ein solcher Näherungsschalter ist beispielsweise aus der DE 42 38 992 A1 bekannt. Die beiden Sensorelektroden des be kannten Näherungsschalters sind identisch aufgebaut. Ein sich nähernder Gegenstand verändert die Kapazität der Sensorelek troden je nach Bewegungsrichtung gleichmäßig oder unterschied lich, wodurch der Näherungsschalter richtungsselektiv arbeiten kann. Das Vorsehen von zwei Sensorelektroden hat gegenüber dem Vorsehen nur einer Elektrode außerdem den Vorteil, dass sich Störkapazitäten weniger stark auswirken können als bei der Auswertung der absoluten Kapazitätsänderung nur einer Sensor elektrode.

Die DE 32 21 223 A1 beschreibt einen kapazitiven Näherungs schalter, bei dem die Sensorelektrode vor einer Schutz- und einer Schirmelektrode angeordnet ist.

Die bekannten Näherungsschalter sind jedoch alle nicht ausrei chend betriebssicher, um sie beispielsweise auch an Robotern in einer Produktionslinie einsetzen zu können. Aus Sicher heitsgründen werden deswegen Roboter von Schutzgittern umge ben, die dafür sorgen, dass es zu keinen Gefährdungen von im Produktionsprozess arbeitenden Menschen kommen kann. Die Schutzgitter benötigen jedoch sehr viel Raum, da sie den ge samten möglichen Bewegungsraum des jeweiligen Roboters um schließen müssen, auch wenn der Roboter während des Produk tionsprozesses bei ordnungsgemäßem Betrieb sehr viel weniger Platz beansprucht. Für den Personenschutz wäre es dabei aus reichend, dass der Roboter sicher anhält, sobald ihm eine Person zu nahe kommt. Dafür sind jedoch Näherungsschalter mit einer ausgesprochen hohen Funktionssicherheit und Störunanfäl ligkeit erforderlich.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen schlägt die vorliegende Erfindung einen kapazitiven Näherungsschalter der eingangs genannten Art vor, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden Sensorelektroden derart angeordnet sind, dass eine der beiden Sensorelektroden gegenüber der anderen nach außen vorsteht. Nähert sich eine Person oder ein elek trisch leitfähiger Gegenstand dem Näherungsschalter, so ändert sich die Kapazität der beiden Sensorelektroden. Bei derjenigen Sensorelektrode, die weiter vorsteht, ergibt sich dabei eine höhere Kapazität als bei der weniger weit vorstehenden Sensor elektrode. Durch die Differenzsignals wird der mindestens eine elektrische Schalter betätigt und dadurch beispielsweise ein Roboter außer Tätig keit gesetzt.

Die Sensorelektroden können dabei in an sich bekannter Weise mit einer Wechselspannung beaufschlagt sein. Sind die Sensor elektroden Teil eines Schwingkreises, so kann die Annäherung eines elektrischen leitenden Gegenstandes dadurch detektiert werden, dass sich die Frequenz ändert oder die Schwingung abreißt. Alternativ dazu kann die Auswerteschaltung jedoch auch die Amplitudenänderung der Sensorsignale bei Annäherung eines Gegenstandes auswerten.

Zur sicheren Überprüfung der Funktion kann eine mit Abstand zu einer der Sensorelektroden, vorzugsweise der weiter nach außen vorstehenden, angeordnete Überwachungselektrode vorgesehen sein, die über einen Schalter mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, wobei der Schalter ein Rechtecksignal, vorzugs weise mit einer deutlich niedrigeren Frequenz als die Frequenz der an den Sensorelektroden anliegenden Wechselspannung er zeugt. Die Frequenz könnte prinzipiell aber auch gleich oder größer als die Wechselspannungsfrequenz sein. Solange die Überwachungselektrode nicht mit einem Potential verbunden ist, stellt sie nur eine sehr kleine Kapazität gegenüber der Sen sorelektrode dar, da sie deren Potentialschwankungen folgt. Liegen jedoch an der Überwachungselektrode Rechteckimpulse beispielsweise mit einer im Vergleich zur Frequenz der an den Sensorelektroden anliegenden Wechselspannung niedrigen Fre quenz an, so hat die an der zugehörigen Steuerelektrode gemes sene Spannung die Form eines mit der Frequenz des Rechteck impulssignals amplitudenmodulierten Signals mit der Trägerfre quenz der Wechselspannung an der Sensorelektrode. Die Auswer teschaltung hat dann dafür zu sorgen, dass dieses spezielle amplitudenmodulierte Signal der Sensorelektrode sicher erkannt wird und den mindestens einen elektrischen Schalter entsprechend ansteuert. Um ausschließen zu können, dass Störsignale mit derselben Frequenz wie das Rechteckimpulssignal an der Überwachungselektrode die Messung stören, können Blindsensoren zur Erkennung von Störsignalen mit einer Frequenz, die derje nigen des Rechtecksignals an der Überwachungselektrode ent spricht, vorgesehen sein.

Die Auswerteschaltung kann eine Vorrichtung zur Invertierung jeder zweiten Halbwelle des Differenzsignals der Sensorelek troden aufweisen, dessen Ausgangssignal den elektrischen Schalter ansteuert. Das Ausgangssignal der Invertiervorrich tung weist also entweder ein positives oder ein negatives Vor zeichen auf, je nachdem, ob die Spannung an der weiter hervor stehenden Sensorelektrode oder an der weiter zurückgesetzten Elektrode größer ist. Damit lässt sich auf den Abstand und die Bewegungsrichtung des detektierten Gegenstandes schließen. Zudem besteht die Möglichkeit, zu verhindern, dass beispiels weise ein Fertigungsroboter anhält, auch wenn er sich er wünscht an einen Gegenstand, beispielsweise an ein zu ergrei fendes Werkstück annähert. Hierzu wird in geeigneter Weise in die Nähe der erwünschten Annäherungsposition eine Elektrode gebracht, die mit einer Spannung dergleichen Frequenz und Phase wie die Wechselspannung an den beiden Sensorelektroden beaufschlagt wird. Dadurch wird bei Annäherung des Näherungs schalters an diese Elektrode die Spannung an den Sensorelek troden nicht sinken, sondern konstant bleiben oder steigen. Der Schalter wird nicht betätigt.

Die Auswerteschaltung kann am Ausgang der Invertiervorrichtung einen Serienschwingkreis mit einer der Frequenz des Rechteck impulssignals entsprechenden Resonanzfrequenz und einen weite ren Schalter aufweisen. Nur wenn der Schalter geschlossen ist, reagiert der Näherungsschalter auf kapazitive Änderungen in seiner Umgebung wie vorgesehen. Störeinflüsse lassen sich dadurch weitgehend ausschalten.

Es können alternativ auch andere Verfahren benutzt werden, um das Rechtecksignal herauszufiltern.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltskizze eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters;

Fig. 2 einen zentralen Querschnitt entlang der Linie II-II durch ein Ausführungsbeispiel eines Näherungsschalters gemäß Fig. 3;

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Näherungsschalter aus Fig. 2.

Fig. 1 zeigt zwei Sensorelektroden 101 und 201, die jeweils von Abschirmelektroden 102 und 202 gegen Masse abgeschirmt sind. Dazu sind die Sensorelektroden 101 und 201 mit den Ein gängen von Verstärkern 104 und 204 verbunden. Die Abschirm elektroden 102 und 202 sind mit dem Ausgang derselben Verstär ker 104 und 204 verbunden. Dadurch machen die Abschirmelek troden 102 und 202 alle Potentialschwankungen der Sensorelek troden 101 und 201 mit und wirken somit selbst nicht als Kapa zität gegenüber den Sensorelektroden 101 und 201. Die Elek troden 101 und 201 werden über hohe Impedanzen 103 mit einer Wechselspannung U₀ mit der Frequenz f₀ beaufschlagt.

Die Verstärker 104 und 204 sind nicht invertierend und haben einen Verstärkungsfaktor von vorzugsweise etwas mehr als 1. Für die Beseitigung der Kapazität der Sensorelektroden 101 und 201 gegen Masse würde ein Verstärkungsfaktor von 1 richtig sein. Da aber zwangsläufig weitere Kapazitäten beispielsweise durch die Verdrahtung gegenüber Masse gegeben sind, wird die Verstärkung zweckmäßigerweise so hoch gewählt, dass auch diese Kapazitäten sich auf die Messung nicht auswirken.

Die Signale der Sensorelektroden 101 und 201 werden außerdem auf einen weiteren Verstärker 105 gegeben. Im vorliegenden Fall sind die Ausgänge der Verstärker 104 und 204 mit den Eingängen des Verstärkers 105 verbunden, doch könnten die Sensorelektroden 101 und 201 auch direkt mit den Eingängen des Verstärkers 105 verbunden werden.

An der Elektrode 101 liegt die Spannung

U₂ = U₁ × X_e/(X₃ + X_e),

wenn X₃ die Impedanz 103, X_e die Impedanz der Elektrode 101 gegen den zu erkennenden Gegenstand oder die Person bedeutet. Wenn sich ein Körper dem Sensor nähert, nimmt X_e ab, sodass U₂ sinkt.

Das Vorsehen zweier Sensorelektroden 101, 201 dient der Her absetzung der Störempfindlichkeit. Die Flächen der Elektro den 101 und 201 können vorzugsweise gleich groß sein. Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung wird nicht direkt U₂ ausgewertet, sondern das Differenzsignal zwischen den beiden Sensorelek troden 101 und 201. Üblicherweise ist eine der Sensorelektro den Teil eines Schwingkreises. Im vorliegenden Fall wird je doch auf einen Schwingkreis verzichtet. Hier ist vor der Sen sorelektrode 101 eine Überwachungselektrode 106 angeordnet. Die Fläche der Elektrode 106 und ihre Entfernung zur Sensor elektrode 101 wird entsprechend der maximal zulässigen Annähe rung eines Körpers gewählt. Die Überwachungselektrode 106 ist über einen Schalter 107 mit einer Gleichspannungsquelle U₁ verbunden. Der Schalter 107 bildet aus der Gleichspannung U₁ ein Rechteckimpulssignal der Frequenz f₁, die sehr viel kleiner ist, als die Frequenz f₀ der Spannung U₀, mit der die beiden Sensorelektroden 101 und 201 gespeist werden. Während der Rechteckimpulse wirkt zwischen den Elektroden 101 und 106 eine Kapazität. Dies führt dazu, dass die Spannung U₂ an der Sensor elektrode 101 die Form eines mit f₁ amplitudenmodulierten Signals der Trägerfrequenz f₀ aufweist.

Die Sensorelektrode 101 steht gegenüber der Sensorelektro de 201 nach außen vor, wie beispielsweise in der Ausführungs form der Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Nähert sich nun ein Körper der Anordnung, so hat der Körper gegenüber der Elektrode 101 eine größere Kapazität aufgrund des geringeren Abstandes. Die Spannung U₂ an der Sensorelektrode 101 wird also stärker sinken als die Spannung an der Elektrode 201. Die Differenz der Si gnale an den Elektroden 101 und 201 wird durch den Verstär ker 105 verstärkt. Anschließend folgt eine Vorrichtung 20, die jede zweite Halbwelle des Ausgangssignals des Verstärkers 105 invertiert. Dadurch entsteht am Ausgang der Vorrichtung 20 ein Signal entweder positiven oder negativen Vorzeichens. Die Polarität gibt Aufschluss darüber, ob die Spannung an der Elektrode 101 oder an 201 größer ist. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, zu verhindern, dass der Näherungsschalter an spricht, auch wenn sich ein erwünschter Gegenstand annähert. Dazu wird in geometrisch geeigneter Weise an den gewünschter maßen anzunähernden Körper oder in seiner Nähe eine Elektrode angebracht, die mit einer Spannung der gleichen Frequenz f₀ und der gleichen Phase wie die Sensorelektroden 101 und 201 beauf schlagt wird. Dadurch ändert sich bei Annäherung des Sensors an diese Elektrode die Spannung an der Sensorelektrode 101 nicht. Es wird also auch keine Annäherung an einen Gegenstand detektiert. Mittels des gleichgerichteten Signals am Ausgang der Vorrichtung 20 wird ein Relais 80 geschaltet, dessen Spule mit einem Potential U₃ verbunden ist, das derart gewählt wird, dass das Relais 80 nur dann aktiviert ist, wenn die Spannung an der Sensorelektrode 101 nicht zu stark abgefallen und damit die Spannung am Ausgang der Vorrichtung 20 nicht zu stark angestiegen ist, was auf eine zu große Annäherung eines Kör pers hinweisen würde. In der Auswerteschaltung 100 ist außer dem ein Gleichrichter 70 vorgesehen, der dann erforderlich ist, wenn die Ausgangsspannung der Vorrichtung 20 über das Potential U₃ ansteigt, wodurch das Relais 80 auch bei extremer Annäherung eines Körpers wieder schalten würde.

Über einen weiteren Gleichrichter 30, einen Kondensator 40 und eine Spule 50 wird ein weiteres Relais 60 mit Arbeitskontakt angesteuert. Die Kapazität 40 und die Spule 50 bilden einen Serienschwingkreis mit der Resonanzfrequenz f₁. Ist der Kontakt des Relais 60 geschlossen, bedeutet das, dass der Sensor auf eine kapazitive Änderung in seiner Umgebung wie vorgesehen reagiert. Es ist außerdem ein weiterer Kondensator 90 vorgese hen, der bewirkt, dass die Induktivität der Relaisspule nicht Bestandteil des Schwingkreises wird. Die Kapazität 40 sorgt dafür, dass nicht durch einen Ausfall der Elemente 105 oder 20 ein fehlerhafter Gleichspannungspegel als ein Signal missin terpretiert wird. Der Gleichrichter 30 ist erforderlich, falls das Relais 60 selbst nicht mit einem Wechselstrom der Fre quenz f₁ betrieben werden kann. Ist das Relais jedoch mit der Frequenz f₁ betreibbar, so kann seine Induktivität einen Teil des Schwingkreises bilden. Die Elemente 30, 50 und 90 könnten dann entfallen.

Zur zuverlässigen Überwachung der Annäherung einer Person an beispielsweise einen Roboter, müssten an diesem mehrere Nähe rungsschalter gemäß der Erfindung angeordnet sein, um eine allzeitige Überwachung zu erlauben.

Die Fig. 2 und 3 zeigen nun ein mögliches konstruktives Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters gemäß der Schaltskizze aus Fig. 1. Wie Fig. 3 zeigt, ist der gesamte Näherungsschalter zylindrisch aufgebaut. Die Sensor elektrode 101 hat Scheibenform, die Sensorelektrode 201 Ring form. Beide Elektroden 101 und 201 sind eingebettet in Ab schirmelektroden 102 und 202. Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, steht dabei die Elektrode 101 weiter nach außen vor als die Elektrode 201. Vor der Sensorelektrode 101 ist die Überwachungselektrode 106 angeordnet, die hier strei fenförmig ausgebildet ist. Auch der Schalter 107 ist zu erken nen, der die Überwachungselektrode 106 mit einem Rechteckim pulssignal versorgt.

Der dargestellte Aufbau des Näherungsschalters ist lediglich beispielhaft. Es sind auch hier andere geometrische Lösungen denkbar.

Claims

1. Kapazitiver Näherungsschalter mit zwei, jeweils durch eine Abschirmelektrode (102, 202) gegen Masse abgeschirmten Sensorelektroden (101, 201), wobei die Sensorelektro den (101, 201) jeweils mit dem Eingang eines Verstär kers (104, 105) und die Abschirmelektroden (102, 202) mit dem Ausgang des Verstärkers (104, 105) verbunden sind, und mit einer Auswerteschaltung (100) für das Differenzsignal der beiden Sensorelektroden (101, 201), die mindestens einen elektrischen Schalter (80), beispielsweise einen Transistor, einen Thyristor oder ein Relais ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensorelektro den (101, 102) derart angeordnet sind, dass eine der bei den Sensorelektroden (101, 102) gegenüber der anderen nach außen vorsteht.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden (101, 201) mit einer Wechsel spannung (U₀) beaufschlagt sind.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Verstärker (104, 105) zur Elimination von Störkapazitäten einen Verstärkungsfaktor von größer als 1 aufweisen.

4. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (100) die Amplitudenänderung der Sensorsignale bei Annäherung eines Gegenstandes auswertet.

5. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, dass eine mit Abstand zu einer der Sensorelektroden (101, 201), vorzugsweise der weiter nach außen vorstehenden (101) angeordnete Überwachungselektro de (106) vorgesehen ist, die über einen Schalter (107) mit einer Gleichspannungsquelle (U₁) verbunden ist, wobei der Schalter (107) ein Rechtecksignal mit einer sehr viel niedrigeren Frequenz (f₁) erzeugt, die vorzugsweise deut lich niedriger ist als die Frequenz (f₀) der an den Sensor elektroden (101, 201) anliegenden Wechselspannung (U₀).

6. Näherungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Überwachungselektrode (106) zu der Sensorelektrode (101, 201) und die Fläche der Überwa chungselektrode (106) entsprechend dem Mindestabstand, den ein Gegenstand zum durch den Näherungsschalter überwachten Objekt einhalten muss, gewählt ist.

7. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass Blindsensoren zur Erkennung von Störsignalen mit einer Frequenz (f₁), die derjenigen des Rechtecksignals an der Überwachungselektrode (106) ent spricht, vorgesehen sind.

8. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (100) eine Vorrichtung (20) zur Invertierung jeder zweiten Halb welle des Differenzsignals der Sensorelektroden (101, 201) aufweist, dessen Ausgangssignal den elektrischen Schal ter (80) ansteuert.

9. Näherungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang der Invertiervorrichtung (20) ein Serien schwingkreis (40, 50) mit einer der Frequenz (f₁) des Rechteckimpulssignals entsprechenden Resonanzfrequenz und ein weiterer Schalter (60) angeordnet ist.

10. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, dass an einem Körper, dessen Annähe rung nicht sensiert werden soll, oder in seiner Nähe eine Elektrode angeordnet ist, die mit der gleichen Wechsel spannung (U₀) beaufschlagt ist, wie die Sensorelektro den (101, 201).