DE2402721B2

DE2402721B2 - Kapazitiver naeherungsdetektor

Info

Publication number: DE2402721B2
Application number: DE19742402721
Authority: DE
Inventors: Minoru; Mitani Shoichi; Totsuka Yokohama; Yuminaka Takeo; Sasaki Rokuro; Nakamura Hatuya; Katsuta; Tanaka (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-01-22
Filing date: 1974-01-21
Publication date: 1977-02-24
Also published as: DE2402721C3; AU468702B2; GB1462394A; AU6473374A; CA1024629A; JPS4997279A; US4030037A; HK41277A; JPS5623536B2; DE2402721A1

Description

Die Lrlindung betrifft einen kapazitiven Näherungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der zu erlassen.Ie, sich nähernde Körper kann z. B. ein Mensch, ein Tier oder ein beliebiger Gegenstand sein.

Hei einem bekannten kapazitiven Nähcrungsdeiekior (vgl. DT-OS ] 5 48 169) zum berührungslosen Feststellen eines sich nähernden Körpers speist ein Oszillator über eine Primärwicklung eines Transformators dessen Sekundärseite, die in zwei Wicklungen untei teilt ist. die zusammen mit einem Stell-Kondensator, ciivr Kapa/itat zwischen einer Fühl-Elektrode und einem Schirm sowie einer Kapazität zwischen dem Schirm und Erde eine Brücke bilden, die bei Näherung eines Körpers verstimmt wird und ein Ausgangssignal an einen zwei Eingänge aufweisenden Differenzverstärker abgibt, von dem ein Eingang unmittelbar mit der Fühl-Elektrode verbunden und der ferner mil einem phasenempfindlichen Gleichrichter beschaltet ist. Dieser bekannte kapazitive Näherungsdeiektor ist nicht η nur wegen des phasenempfindlichen Gleichrichters besonders aufwen- <>o dig, sondern auch wegen des Transformators mit den zahlreichen Wicklungen, da diese eine Ausführung des Näherungsdetcktors in integrierte Schaltung und damit eine gedrängte Bauweise ausschließen.

Es ist ferner ein kapazitiver Näherungsdetektor der < >5 eingangs genannten Art bekanntgeworden (vgl. DT-OS 14 48J58). bei dem eine Fühler-Elektrode mit dem hochohmigen Eingang des Verstärkers verbunden ist.

während dessen Emitter bzw. Kathodenseite an eine Phase einer Speise-Wcchschtromquellc angeschlossen ist deren zweite Phase auf Erdpotcntial gcleg! ist. Je na'rh Abstand der Fühler Elektrode vom Erdpotential ergibt das Wechselfeld eint· mehr oder weniger große Aussteuerung des Verstärkers, der außerdem an einen Transistoroszillator angeschlossen ist, der die Amplitude des Wechselstroms auf einem konstanten Wert hall. Hier ist besonders aulwendig, daß zwei Wechselstromquellen vorgesehen sind, nämlich eine Speise-Wechselstromquelle und ein davon getrennter Oszillator.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen einfach aufgebauten Naheningsdctekior zu schaffen. der insbesondere aufgrund einfacher Mittel eine Ansprechschwelle besitzt.

Die Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gegeben.

Beim crfinchmp^cmnlicn kapazitiven Näherungsdetektor ist also eine einzige Wechselstromquelle, nämlich nur der Oszillator, vorgesehen, der einerseits d.is für die Erfassung d\:r Annäherung eines Körpers notwendige llochlrequenzsignal und andererseits die lur einen Vergleich notwendige Verstärker· llezugsspannung erzeug!. Auf diese Weise weiden Ueinehsstorungcn infolge Verdr-ihtiings -Strcukapaziiat sowie Schwankungen im Ausgangssignal des Oszillators praktisch ausgeschlossen, und es kann jeder beliebige Oszillator, d.h. mit einem Hochlrequenz-Ausgangssignal beliebiger Signalform, verwendet werden.

Vor allem aber ist beim erluuliingsgemäßen kapazitiven Nähcrungsdetektor durch den Anschluß des Oszillators über zwei verschiedene Impedan/baucle memo an den als Differenzverstärker ausgebildeten Verstärker gleichzeitig in einfacher Weise eine sichere Ansprechschwelle erreicht.die der Potentialdifferenz an den Differenzeingängen des Dfferen/verstärkers entspricht. Mit anderen Worten, als gültiges Erfassungssignal des Näherungsdetektors wird nur angesehen, wenn das Ausgangssignal des Diflerenzverstärkers sein Vorzeichen ändert,gewissermaßen »umkippt«.d. h. eine irrtümliche Auslösung des Näherungsdetcktors, z. B. durch Rauschen, Eindringen von vernachlässigbaren Körpern in den Wirkbereich des Fühlers, Änderungen der vom Fühler erfaßten Kapazität mit der Temperatur wird verhindert.

Wie bereits gesagt wurde, benötigt der erfindungsgemäße Kapazitive Näherungsdeiektor kein spezielles Hochfrequenz-Ausgangssignal. Daher muß der Oszillator nicht unbedingt im Näherungsdetektor selbst eingebaut sein, sondern kann auch eine äußere Wechselst romquelle sein. Außerdem muß der Oszillator nicht von einer bestimmten Bauart sein, also weder eine Induktivität noch eine Kapazität enthalten, so daß er ohne weiteres als integrierte Schaltung vorliegen kann, wobei eine Zusammenschaltung von drei oder einer anderen ungeraden Anzahl von NICHT-Gliedcrn, z. B. zu einem Ring, besonders zweckmäßig ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die sich vor allem mit einer zweckmäßigen Einstellbarkeit der Ansprechschwelle des Näherungsdetekiors beschäftigen.

Der im übrigen noch bekanntgeworder e Stand der Technik konnte die erfindungsgemäße Lehre weder nach Aufgabe noch nach Lösung vorwegnehmen:

So ein Spannungskomparator (Integrierte Analogschaltung. Telekosmos-Verlag, Franckhschc Verlagshandlung, Stuttgart 1970. S. 75 —77), dessen

beide Eingänge über jeweils einen Widerstand von 1OkQ mit einer Eingangsspannung bzw. einer Bezugsspannung beaufschlagt sind;
ferner eine Kraftmeßeinrichtung (vgl. US-PS 36 62 595). die einen Oszillator mit einem Oszilla torschwingkreis aufweist, der eine Spule und einen dazu parallelgeschalteten Stell-Kondensator hat, von dem eine Elektrode ortsfest und die andere beweglich sowie mit einer tragen Masse verbunden ist. Der Ausgang des Oszillators ist mit einem ersten bzw. über den Stell-Kondensator mit einem zweiten Eingang eines Operationsverstärkers verbunden;

weiter ein kapazitives Hygrometer (vgl. DT-OS 21 01 591), dessen Feuchtefühler durch eine Kapazität in einem Zweig einer aufwendigen Brücke gebildet ist, die von einem Oszillator gespeist ist. wobei zwei Zweige der Brücke auch an die Anschlüsse eines Differenzverstärkers gelegt sind; schließlich speist in einem Berührungsschalter (vgl. GB-PS 12 88 925) ein Oszillator über einen Widerstand einen kapazitiven Fühler, der auch an einen Transistor angeschlossen ist, der Ausgangssignale nur eines Vorzeichens abgibt. Unabhängig davon werden auch Differenzverstärker vervven- zs det. die jedoch mit jeweils zwei Fühlern zusammenwirken.

Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild eines grundlegenden Auslührungsbcispiels.

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, bei dem der Oszillator aus NICHT-Gliedern aufgebaut ist,

F i g. 3 den Schwingungsverlauf am Ausgang des Ausführungsbeispiels von F i g. 2,

Fig.4 eine graphische Darstellung des Ausgangssignales des Differenzverstärkers, bezogen auf den Abstand zwischen dem plattenförmigen Fühler des Näherungsdetektors und einem Menschen.

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit einem Steller für die Spannungen, die jedem der Eingänge des Differenzverstärkers des Näherungsdetektors gemäß Fig. 1 zugeführt werden,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel mit einer Ausgestaltung des Spannungssteller von F i g. 5 und

F i g. 7 ein letztes Ausführungsbeispiel mit einer weiteren Ausgestaltung des Spannungssteller von F i g. 5.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist versehen mit einem Oszillator 1, einem Differenzverstärker 2, einem Dctektorglied in Form eines plattenförmigen Fühlers 3 zum Erfassen eines sich nähernden Objekts, einer (elektrostatischen) Kapazität 4 zwischen dem Fühler 3 und dem Erdungspunkt 5, wobei die Kapazität 4 durch die Annäherung eines Körpers an den Fühler 3 erzeugt wird, mit Impedanz-Bauelementen in Form von Widerständen 6 und 7, mit einem Ausgang 8 des Oszillators 1 und einem Ausgang 9 des Näherungsdetektors. Die Größe der bei Annäherung eines Körpers sich zwischen dem Fühler 3 und dem Erdungspunkt 5 ausbildenden Kapazität 4 ist abhängig von Art und Form des zu erfassennen Körpers und vom Abstand zwischen dem Fühler 3 und dem Körper. Wenn der Finger eines Menschen einen metallischen Fühler 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 l ist mit dem Differenzverstärker 2 verbunden, und wenn sich ein Körper ihrem Verbindungspunkt nähert, geht der Abgleich (vgl. dazu auch weiter unten) des Differenzverstärkers verloren, und am Ausgang 9 wird ein gewünschtes Ausgangssignal erzei'gt.

Grundsätzlich wird, wenn sich ein Körper, z. B. ein Mensch, dem Fühler 3 nähen,zwischen diesem und dem Erdungspunkt 5 eine (elektrostatische) Kapazität erzeugt, die durch eine Kapazität 4 zwischen dem Fühler 3 und dem Erdungspunkt 5 in der Zeichnung veranschaulicht ist. Der bis dahin an den Eingängen des Differenzverstärkers 2 bestehende Abgleich geht verloren, und dadurch wird am Ausgang 9 ein Ausgangssignal erzeugt.

Unter Abgleich im hier erläuterten Sinn ist dabei zu verstehen, daß, um die Ansprechschwelle des Näherungsdetektors zu erzielen, die Eingänge des Differen/-verstärkers nicht mit genau demselben Potential beaufschlagt werden, sondern der Eingang 14 des Differenzverstärkers 2 auf etwas höherem Potential als sein anderer Eingang 16 gehalten wird.

Wenn der Eingang 14 als negativer Eingang eines gewöhnlichen Differenzverstärkers bcnut/i wird, wird am Ausgang 9 ein positives Ausgangssignal erzeugt, und wenn der Eingang 14 als positiver Eingang benutzt \\ ird. wird* ein negatives Ausgangssignal erzeugt. Angenommen, die Schaltung befindet sich im erstgenannten Zustand, so wird am Ausgang 9 ein positives Ausgangssignal erzeugt.

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 9 umgekehrt und somit die Nähe eines Menschen od. dgl. erfaßt wird

Der Oszillator 1 dient dazu über die Widerstände 6 und 7 an den Differenzverstärker 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.

Um eine gedrängte Bauweise und einen hohen Integrationsgrad zu erreichen, hat im Ausführungsbeispiel von F i g. 2 des Oszillators 1 NAND-Glieder 10,11 und 12, die in Ringform miteinander verbunden sind Schwingungen treten dadurch auf, daß die Ausgangssignale jedes der NAND-Glieder zei'verzögert gegenüber ihren Eingangssignalen auftreten, jedes NAND-Glied wird als NICHT-Glied benutzt, und durch Verbinden von drei oder einer anderen ungeraden Anzahl von NICHT-Gliedern 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 25MHz. Der Signalverlauf am Ausgang 8 des Oszillators 1 ist in F i g. 3 dargestellt. Die Widerstände 6 und 7 haben im wesentlichen den gleichen Wert. Der hier verwendete Differenzverstärker 2 besteht aus integrierten Schaltkreisen. Der Ausgang des Oszillators 1 ist übci" die Widerstände 6 und 7 mit den Eingängen des Differenzverstärkers 2 verbunden. Wenn sich dem metallischen Fühler 3 kein leitender Körper nähert, sind

die Eingänge 14, 16 des Differenzverstärkers 2 bis auf die bereits erwähnte Potentialdifferenz zur Erzielung der Ansprechschwclle abgeglichen. Wenn sich ein leitender Körper, wie ein Mensch, dem mit dem Eingang 14 des Differenzverstärkers 2 verbundenen metallischen Fühler 3 nähert oder ihn berührt, wird zwischen dem Fühler 3 und dem Erdungspunkt 5 die (elektrostatische) Kapazität 4 gebildet. Der Abgleichzusland im oben definierten Sinn der Eingangssignale des Differenzverstärkers 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 F i g. 3 dargestellten. Wenn der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 2 beispielsweise mit 80 dB odor mehr und seine Frequenz mit 1 MHz oder weniger gewählt ist, bewirkt eine geringe Differenz eine Sättigung des Differenzverstärkers 2, und dadurch wird ein Gleichstrom-Ausgangssignal am Ausgang 9 erzeugt. ]e größer der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärke! s 2 ist. desto deutlicher sind die Änderungen des Spannungspegels am Ausgang 9. LJm eine noch größere Deutlichkeit /u erreichen, ist ein NICHT- oder NAND-Glied 13 mit dem Ausgang des Differcn/verstarkers 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 Spannungspegeländcrung am Ausgang 15 unveränderlich (Fig.4). Das Diagramm von Fig.4 veranschaulicht eine Hysterese, die sich bei Betrieb des Näherungsdetcktors entwickelt, wenn sich der zu erfassende Körper dem Fühler 3 nähert und sich von ihm entfernt. Die Differenz im Operationspunkt des Näherungsdetektors aufgrund der Hysterese liegt zwischen fO und 100 us bei einem Maximaiwert der (elektrostatischen) Kapazität 4. bezogen auf den Wert der Widerslände 6 und 7.

Da das Ausgangssignal des Oszillators 1 über die Widerstände 6 und 7, die im wesentlichen den gleichen /Vert haben, mit dem Eingang des Differenzverstärkers 2 verbunden ist. ist der Betrieb des Differenzverstärkers 2 sehr stabil gegenüber Änderungen der Speisespannung oder gegenüber Änderungen der Ausgangsschwingungen 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 F i g. 2 wirken als übliche NK'HT-Glicder und können durchaus solche sein. Sie wirken wie NICIIT-Glieder, wenn die Eingänge der NAND-Glieder zu einem einzigen Eingang kurzgeschlossen werden.

Die Einstellung der dem Differenzverstärker 2 unter normalen Bedingungen zugeführten Eingangsspannungen wird unter Bezugnahme auf F i g. 5 - 7 erläutert. Die Eingänge des Differenzverstärkers 2 sind über die Widerstände 6 und 7 mit dem Ausgang des Oszillators 1 verbunden. Wenn der metallische Fühler 3 nicht von einem Menschen od. dgl. berührt wird bzw. sich ihm niemend nähert, sind die Eingänge des Differenzverstärkers 2 bis auf die erwähnte Potentialdifferenz zur Erzielung der Ansprechschwellc abgeglichen. Wenn eine Zuleitung zum Fühler 3 jedoch lang genug ist. bewirkt selbst unter dieser Bedingung eine zwischen der Zuleitung und dem Erdungspunkt erzeugte (elektrostatische) Kapazität, daß die Eingänge des Differenzverstärkers ihren Abgleichzustand erst einmal verlieren. Ein beispielsweise angewandtes Verfahren zum Wiederherstellen des Abgleichs einschließlich der angestrebten Ansprechschwellen-Potentialdifferen/ besteht darin. daß der metallische Fühler 3 mit dem Eingang 14 des Differenzverstärkers 2 verbunden wird, während der andere Eingang 16 mit einer einstellbaren Kapazität 20 verbunden wird, um einen gewünschten Abgleich zu erreichen (F i g. 5).

Bei der Ausführungsform von Fig. b wird der Abgleich einschließlich der Einstellung der Ansprcchschwcllen-Potentialdiffcrenz zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers 2 einfach dadurch erhalten, daß eine Zuleitung 22 vorgesehen ist, deren Länge nach Bedarf geändert wird.

F i g. 7 veranschaulicht eine weitere Möglichkeit zum Abgleich einschließlich der Einstellung der Ansprechschwellen-Potentialdifferenz: hierbei wird ein Stcllwidcrstand 24 /wischen die Widerstände 6 und 7 geschaltet, die mit den Eingängen des Differenzverstärkers 2 verbunden sind.

Ls sei nochmals darauf hingewiesen, daß das Potential am Eingang 14 des Differenzverstärker 2 auf einem höheren Pegel als das Potential am Eingang 16 gehalten wird, und zwar durch justieren des Stellers. Bei Annäherung eines Menschen od. dgl. an den Fühler ί wird dann 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Näherungsdetektor zum berührungslosen Feststellen eines sich nähernden Körpers, mit einem zwei Eingänge aufweisenden Verstärker, der an einen Oszillator und an einen Fühler angeschlossen ist. gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Verstärker ist ein Differenzverstärker^); ι»

b) der Oszillator (1) ist mit seinem Ausgang derart über je ein lmpedanzbauelcmeni (6; 7) an die Differenzeingänge des Differenzverstärkers (2) gelegt, daß die Differenzeingänge ohne sich nähernden Körper auf unterschiedlichem Potcntial liegen:

c) der Fühler (3) ist mit einem der Differenzeingänge verbunden.

2. Näherungsdetektor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (2) eine Poiaritätsänderung der Spannungsdifferenz zwischen seinen Eingängen (14, 16) aufgrund der zwischen dem Fühler (3) und Erde gebildeten elektrostatischen Kapazität erlaßt.

3. Nüherungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Steller (20, 22, 24) für die ilen umgangen (14, 16) des Diife-renzverstärkers

(2) normalerweise zugelührien Spannungen.

4. Näheruiigsdetektoi nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (20, 22, 24) einen Stellw iderstand (24) hat.

5. Näherungsdetekior nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellwidersland (24) zwischen dem Ausgang des Oszillators (1) und den Impedanzbauelcmenten ((>. 7) liegt.