DE2402721A1

DE2402721A1 - Naeherungsdetektor

Info

Publication number: DE2402721A1
Application number: DE2402721A
Authority: DE
Inventors: Shoichi Mitani; Hatuya Nakamura; Rokuro Sasaki; Minoru Tanaka; Yokohama Totsuka; Takeo Yuminaka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-01-22
Filing date: 1974-01-21
Publication date: 1974-08-15
Also published as: DE2402721C3; AU468702B2; GB1462394A; CA1024629A; JPS4997279A; JPS5623536B2; DE2402721B2; US4030037A; HK41277A; AU6473374A

Description

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81-22.O55P 21. 1. 1974

HITACHI , LTD, Tokio (Japan)

Näherungsdetektor

Die Erfindung betrifft einen Näherungsdetektor zum Erfassen
eines sich nähernden Menschen oder eines anderen leitenden
Objekts und Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Signals. Bei bereits entwickelten Näherungsdetektoren werden die Schwingungsbedinungen eines in dem Detektor vorgesehenen Oszillators
geändert durch Ausnutzen der (elektrostatischen) Kapazität, die zwischen einem Menschen oder einem anderen leitenden Gegenstand und einer Detektorvorrichtung des Näherungsdetektors erzeugt
wird infolge der Annäherung des Menschen oder.leitenden Gegenstandes. Beispielsweise wird durch Ausnutzen einer (elektrosta-

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ORIGINAL INSPECTED

tischen) Kapazität, die zwischen der Detektorvorrichtung und einem Menschen oder dem Erdungspunkt erzeugt wird, der Oszillator erregt oder entregt oder seine Schwingungsfrequenz geändert. Ein diesen Forderungen entsprechender Schwingkreis enthält notwendigerweise als Bauelemente eine Induktivität und eine Kapazität. Angesichts der Tatsache, daß die Induktivität und die Kapazität insbesondere in integrierten Schaltungen nur schwierig in gedrängter Bauweise ausgeführt werden können, ist es nahezu unmöglich, die Größe eines Näherungsdetektors mit üblichen Verfahren zu verringern.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Näherungsdetektors der in gedrängter Bauweise einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Der erfindungsgemäße Näherungsdetektor hat eine Dauer-Wechselstromsignal-Quelle sowie einen Differenz- oder Operationsverstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang.

Eines der Merkmale des erfindungsgemäßen Näherungsdetektors besteht darin, daß unter normalen Bedirgingen dem ersten und dem zweiten Eingang des Differenz- oder Operationsverstärkers gleiche Wechselstromsignale über Widerstände zugeführt werden, wodurch der Differenz- oder Operationsverstärker am Erzeugen eines Ausgangssignals gehindert wird, während dieser.Abgleichzustand zwischen den dem ersten und dem zweiten Eingang des Verstärkers zugeführten Spannungen verlorengeht, wenn sich der mit dem ersten Eingang des Verstärkers verbundenen Detektorvorrichtung ein Mensch nähert, woraufhin der Verstärker ein Ausgangssignal erzeugt infolge einer zwischen dem Menschen und der Detektorvorrichtung erzeugten (elektrostatischen) Kapazität.

Ein weiteres Merkmal ist, daß die Spannung des ersten, mit der Detektorvorrichtung verbundenen Eingangs des Verstärkers auf

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einem etwas höheren Pegel gehalten wird als diejenige des zweiten Verstärkereingangs, so daß der Differenz- oder Operationsverstärker ein Ausgangssignal bestimmter Polarität erzeugt. Wenn sich der Detektorvorrichtung ein Mensch od. dgl. nähert, fällt die dem ersten Eingang zugeführte Spannung ab, und infolgedessen wird das Potential des zweiten Eingangs höher als dasjenige des ersten Eingangs, und dadurch wird die Polarität des Ausgangssignals des Differenz- oder Operationsverstärkers umgekehrt.

Bei dem vorhergehend erläuterten Näherungsdetektor ist die Einrichtung zum Erzeugen eines Wechselstromsignals nicht notwendigerweise ein Oszillator, sondern kann auch eine externe Wechselstromsignalquelle sein. Wenn als Wechselstromsignalerzeuger ein Oszillator benutzt wird, kann dieser von irgendeinem Typ sein, der weder eine Induktivität noch eine Kapazität enthält, so daß ein Oszillator in Form integrierter Schaltungen verwendet werden kann. Durch Verwendung eines Oszillators mit drei oder einer anderen ungeraden Anzahl von NICHT-Gliedern, die beispielsweise ringförmig miteinander verbunden sind, kann die Größe des Näherungsdetektors weiter verringert werden.

Durch die Erfindung wird also ein gedrängt ausgeführter und billiger Näherungsdetektor angegeben zum Erfassen der Nähe eines Menschen und Erzeugen eines entsprechenden Signals. Dieser Detektor hat einen Oszillator und einen Operationsverstärker. Unter normalen Bedingungen werden den Eingängen des Operationsverstärkers gleiche Eingangspannungen zugeführt, wogegen der Abgleichzustand der Eingangsspannungen durch Annäherung eines Menschen an den Detektor verlorengeht.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 das Schaltbild des Grundprinzips der Erfindung;

.Fig. 2 ein Schaltbild mit NICHT-Gliedern, die bei dem in der Schaltung gemäß Fig. 1 benutzten Oszillator verwendet werden;

Fig. 3 einen als Ausgangssignal der Schaltung von Fig. 2 erzeugten Schwingungsverlauf;

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Ausgangssignals des Differenz- oder Operationsverstärkers, bezogen auf den Abstand zwischen der Detektorplatte des Näherungsdetektors und einem Menschen;

Fig. 5 ein Schaltbild mit einem Steller für die Spannungen, die jedem der Eingänge des Differenz- oder Operationsverstärkers des Näherungsdetektors gemäß Fig. 1 zugeführt werden;

Fig. 6 eine weitere Ausgestaltung des Spannungssteller gemäß Fig. 5; und

Fig. 7 ebenfalls eine weitere Ausgestaltung des Spannungssteller gemäß Fig. 5

Fig. 1 zeigt das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Näherungsdetektors, mit einem Oszillator 1, einem Operationsverstärker 2, einem Detektorglied in Form einer Detektorplatte 3 zum Erfassen eines sich nähernden Objekts, einer (elektrostatischen) Kapazität 4 zwischen der Detektorplatte 3 und dem Erdungspunkt 5, wobei die Kapazität 4 durch die Annäherung eines Objekts an die Detektorplatte 3 erzeugt wird, mit Impedanz-Bauelementen in Form von Widerständen 6 und 7, mit einem Ausgang 8 des

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Oszillators 1 und einem Ausgang 9 des Näherungsdetektors. Die Größe der bei Annäherung eines Objekts sich zwischen der Detektorplatte 3 und dem Erdungspunkt 5 ausbildenden Kapazität ist abhängig von Art und Form des zu erfassenden Objekts und vom Abstand zwischen der Detektorplatte 3 und dem Objekt. Wenn der Finger eines Menschen eine metallische Detektorplatte mit einem Durchmesser von 1 cm berührt, hat die erzeugte (elektrostatische) Kapazität einen Wert von einigen pF bis zu einigen 10 pF. Der ungedämpft schwingende Oszillator ist mit dem Operationsverstärker verbunden, und wenn sich ein Objekt ihrem Verbindungspunkt nähert, geht der Abgleichzustand des Operationsverstärkers verloren, und am Ausgang 9 wird ein gewünschtes Ausgangssignal erzeugt.

Unter normalen Bediigingen werden den beiden Eingängen des Operationsverstärkers vom Oszillator im wesentlichen identische Signale zugeführt, und die Potentiale an den beiden Eingängen sind daher abgeglichen, so daß am Ausgang 9 kein Signal erzeugt wird. Wenn sich ein Objekt, z. B. ein Mensch, der Detektorplatte 3 nähert, wird zwischen dieser und dem Erdungspunkt 5 eine (elektrostatische) Kapazität erzeugt. Diese Situation ist durch Einsetzen der Kapazität 4 zwischen der Detektorplatte 3 und dem Erdungspunkt 5 in der Zeichnung veranschaulicht. Der bis dahin an den Eingängen des Operationsverstärkers bestehende Abgleich geht verloren, und dadurch wird am Ausgang 9 ein Ausgangssignal erzeugt.

Der Oszillator 1 dient dazu, über die Widerstände 6 und 7 an den Operationsverstärker 2 ein Wechselstromsignal anzulegen, und kann durch eine Wechselstromversorgung ersetzt werden. Auch sollte in Anbetracht des sehr niedrigen Wertes der Kapazität 4 die Frequenz des Oszillators 1 so hoch wie möglich sein.

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Gemäß Fig. 2 wird das Grundprinzip von Fig. 1 verwirklicht. Um eine gedrängte Bauweise und einen hohen Integrationsgrad zu erreichen, hat bei dieser Schaltung der Schwingkreis, logische NAND-Glieder 10, 11 und 12, die in Ringform miteinander verbunden sind. Schwingungen treten dadurch auf, daß die Ausgangssignale jedes der NAND-Glieder zeitverzögert gegenüber ihren Eingangssignalen auftreten. Jedes NAND-Glied wird als N'ICHT-Glied benutzt, und durch Verbinden von drei oder einer anderen ungeraden Anzahl von NICHT-GIiedern in Ringform wird ein ungedämpft schwingender Oszillator erhalten. Die bei dieser Ausführungsform verwendeten NICHT-Glieder bestehen aus NAND-Gliedern bipolarer integrierter Schaltungen, wobei jeweils einer ihrer Eingänge oder sämtliche Eingänge kurzgeschlossen sind; die Schwingungsfrequenz der drei NAND-Glieder liegt bei etwa 25 MHz. Ein am Ausgang 8 des Oszillators 1 erzeugter Signalverlauf ist in Fig. 3 dargestellt. Die Widerstände '6 und 7 haben im wesentlichen den gleichen Wert. Der hier verwendete Operationsverstärker 2 besteht aus integrierten Schaltkreisen. Der Ausgang des Oszillators 1 ist über die Widerstände 6 und 7 mit den Eingängen des Operationsverstärkers 2 verbunden. Wenn sich der metallischen Detektorplatte 3 kein leitender Körper nähert, sind die Eingänge zum Operationsverstärker 2 abgeglichen, und das Potential am Ausgang 9 ist daher Null. Wenn sich ein leitender Körper, z. B. ein Mensch, der mit dem Eingang 14 des Operationsverstärkers 2 verbundenen metallischen Detektorplatte 3 nähert oder sie berührt, wird zwischen der Detektorplatte 3 und dem Erdungspunkt 5 die (elektrostatische) Kapazität 4 gebildet. Der Abgleichzustand der Eingangssignale des Operationsverstärkers 2 verschwindet, und die Differenz zwischen diesen Signalen wird verstärkt und erscheint am Ausgang 9. Die Differenz der Eingangssignale hat einen pulsierenden Verlauf ähnlich dem in Fig. 3 dargestellten. Wenn der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 2 beispielsweise mit 80 dB oder mehr

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und seine Frequenz mit 1 MHz oder weniger gewählt ist, bewirkt eine geringe Differenz eine Sättigung des Operationsverstärkers, und dadurch wird ein Gleichstrom-Ausgangssignal am Ausgang 9 erzeugt. Je größer der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 2 ist, desto deutlicher sind die Änderungen des Spannungspegels am Ausgang 9. Um eine noch größere Deutlichkeit zu erreichen, ist ein NICHT- oder NAND-Glied 13 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 2 verbunden, und durch Ausnutzen des schnellen Ansprechens dieses Gliedes wird eine Änderung des Spannungspegels am Ausgang 15 im Endstadium zwischen "Ein"- und "Aus"-Zeit in einigen 10 ns erreicht. Trotz der kurzen für die Änderung des Spannungspegels erforderlichen Zeit ist die Amplitude der Spannungspegeländerung am Ausgang 15 unveränderlich (Fig. 4). Das Diagramm von Fig. 4 veranschaulicht eine Hysteresis, die sich bei der Operation des Näherungsdetektors entwickelt, wenn sich das zu erfassende Objekt der Detektorplatte nähert und sich von ihr entfernt. Die Differenz im Operationspunkt des Näherungsdetektors aufgrund der Hysteresis liegt zwischen 10 und 100 /us bei einem Maximalwert der (elektrostatischen) Kapazität 4, bezogen auf den Wert der Widerstände 6 und 7.

Da das Ausgangssignal des Oszillators 1 über die Widerstände und 7, die im wesentlichen den gleichen Wert haben, mit dem Eingang des Operationsverstärkers 2 verbunden ist, ist die Operation des Verstärkers 2 sehr konstant gegenüber Änderungen der Speisespannung oder gegenüber Änderungen der Ausgangssehwingungen des Oszillators 1 aufgrund von Änderungen der Güte der Bauelemente und Änderungen von deren Kennlinien im Lauf.der Zeit. Beispielsweise arbeitet der Näherungsdetektor selbst bei Änderungen der Speisespannung von +50 %, bezogen auf ihren Nennwert, zufriedenstellend.

Die NAND-Glieder 10, 11, 12 und 13 in der Schaltung gemäß Fig. 2 wirken als übliche NICHT-Glieder und können durchaus

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solche sein. Sie wirken wie NICHT-Glieder, wenn die Eingänge der NAND-Glieder zu einem einzigen Eingang kurzgeschlossen werden.

Die erläuterte Operation bezieht sich auf den Fall, daß der unter normalen Bedinungen zwischen den Eingangssignalen des Operationsverstärkers 2 bestehende Abgleich gestört wird durch die Nähe des menschlichen Körpers oder eines anderen leitenden Objekts. Trotzdem kann die Erfindung mit gleichem Effekt so verwirklicht werden, daß unter normalen Bedingungen der Eingang 14 des Operationsverstärkers 2 auf etwas höherem Potential als sein anderer Eingang gehalten wird. Wenn der Eingang 14 als negativer Eingang eines gewöhnlichen Operationsverstärkers benutzt wird, wird am Ausgang 9 ein positives Ausgangssignal erzeugt, und wenn der Eingang 14 als positiver Eingang benutzt wird, wird ein negatives Ausgangssignal erzeugt. Angenommen, die Schaltung befindet sich im erstgenannten Zustand, so wird am Ausgang 9 ein positives Ausgangssignal erzeugt und vom NAND-Glied 13» also einem NICHT-Glied, umgekehrt, so daß am Ausgang 15 ein negatives Signal erzeugt wird.

Wenn sich ein Mensch od. dgl. nähert, wird die Kapazität 4 gebildet, und das Potential am Eingang 14 fällt auf einen durch den Widerstand 7 und die Kapazität 4 bestimmten Wert ab. Infolgedessen wird das Potential am Eingang 14 niedriger als das am anderen Eingang, und die Polarität des Ausgangs 9 wird umgekehrt, wodurch die Ausgangskennlinie des Ausgangs umgekehrt wird, und somit wird die Nähe eines Menschen od. dgl. erfaßt.

Die Regelung der dem Operationsverstärker unter normalen Bedingungen zugeführten Eingangsspannungen wird unter Bezugnahme auf Fig. 5-7 erläutert. Die Eingänge des Operations-

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Verstärkers 2 sind über die Widerstände 6 und 7 mit dem Ausgang des Oszillators 1 verbunden. Wenn die metallische Detektorplatte 3 nicht von einem Menschen od. dgl. berührt wird bzw. sich ihr niemand nähert, sind die Eingangssignale am Operationsverstärker 2 abgeglichen, und das Potential am Ausgang 9 ist Null. Wenn eine Zuleitung zur Detektorplatte 3 jedoch lang genug ist, bewirkt selbst unter dieser Bedingung eine zwischen der Zuleitung und dem Erdungspunkt erzeugte (elektrostatische) Kapazität, daß die Eingänge des Operationsverstärkers ihren Abgleichzustand erst einmal verlieren. Ein tatsächlich angewandtes Verfahren zum Wiederherstellen des Abgleichs besteht darin, daß die metallische Detektorplatte 3 mit dem Eingang 14 des Operationsverstärkers 2 verbunden wird, während der andere Eingang 16 mit einer einstellbaren Kapazität 20 verbunden wird, um einen gewünschten Abgleich zu erreichen (Fig. 5)·

Bei der Ausführungsform von Fig. 6 wird der Abgleich zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers 2 einfach dadurch erhalten, daß eine Zuleitung 22 vorgesehen ist, deren Länge nach Bedarf geändert wird.

Fig. 7 veranschaulicht eine weitere Möglichkeit zum Abgleichen; hierbei wird ein Stellwiderstand 24 zwischen die Widerstände und 7 geschaltet, die mit den Eingängen des Operationsverstärkers 2 verbunden sind.

Es wurde bereits erwähnt, daß das gewünschte Ergebnis auch dadurch erreicht wird, daß das Potential am Eingang 14 des Operationsverstärkers 2 auf einem höheren Pegel als das Potential am Eingang 16 gehalten wird, und zwar durch Justieren des Stellers. In diesem Fall wird bei Annäherung eines Menschen od. dgl. an die Detektorplatte 3 die Kapazität 4 erzeugt, und das elektrische Potential am Eingang 16 übersteigt dasjenige am Eingang 14, wodurch die Polarität des Ausgangssignals am Ausgang 9 umgekehrt wird.

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Claims

Patentans ρ r ü c h e

1.] Näherungsdetektor,
^-^ gekennzeichnet durch eine Wechselstromsignal-Quelle (l); einen mindestens zwei Eingänge (14, 16) aufweisenden Operationsverstärker (2);

mindestens zwei zwischen den Ausgang (8) der Wechselstromsignal-Quelle (l) und die Eingänge (14, 16) des Operationsverstärkers (2) geschaltete Impedanz-Bauelemente (6, 7);

und ein leitendes Detektorglied (3), das mit dem einen Eingang (14) des Operationsverstärkers (2) elektrisch verbunden ist.

2. Näherungsdetektor naGh Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Steller (20; 22; 24) für die den Eingängen (14, 16) des Operationsverstärkers (2) normalerweise zugeführten Spannungen.

3. Näherungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungssteller ein Stellwiderstand (24) ist.

4. Näherungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromsignal-Quelle (l) ein Oszillator ist.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (l) mindestens drei NICHT-Glieder (10, 11, 12) in Ring-Schaltung aufweist.

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6. Näherungsdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Stellwiderstand (24), dem als Eingangssignal das Ausgangssignal der Wechselstromsignal-Quelle (l) zugeführt wird, wobei das Ausgangssignal des Stellwiderstandes (24) über die Widerstände (6, 7) den jeweiligen Eingängen (14, 16) des Operationsverstärkers (2) zugeführt wird.

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