DE3137835A1

DE3137835A1 - "optischer naeherungsschalter"

Info

Publication number: DE3137835A1
Application number: DE19813137835
Authority: DE
Inventors: Alfred Wilhelm 8154 Oberglatt Heim
Original assignee: GRIESHABER AG
Current assignee: GRIESHABER AG
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1981-09-23
Publication date: 1982-05-06
Also published as: DE3137835C2; CH652874A5

Description

Optischer Näherungsschalter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Näherungsschalter.
Auf dem Markt sind Näherungsschalter mit verschiedensten Arbeitsmethoden und unterschiedlichsten Abtastcharakteristiken bekannt.
Die sechs bekanntesten Nt-iberungsschaltersysteme sind.
Magnetische, induktive, kapazitive und optische Näherungsschalter, sowie Radar- und Ultraschall-Doppler-Detektoren. Alle diese Systeme haben bestimmte Abtastchazakteristiken, die den spezifischen Anwendungsbereich bestimmen.
Will man sowohl stillstehende, als auch bewegende Objekte erfassen, so kommen die rein dynamischen mit dem Doppler Effekt arbeitenden Detektoren nicht in Frage.
Sollen zudem auch nicht magnetische, bzw. nicht metallische Objekte erfasst werden, so fallen auch magnetische und induktive Näherungsschalter ausser Betracht. Müssen zudem noch grosse Abtastfelder kontrolliert werden, so fallen auch noch die beiden letzten Möglichkeiten, nämlich die kapazitiven und optischen Näherungsschalter aus. Kapazitive Näherungsschalter, die in Abhängigkeit der relativen Dielektrizitätskonstante-Er arbeiten sind materialabhängig und arbeiten nur innert einer Distanz von ca. 100 mm zuverlässig.
Gerade diese nicht erfüllten Aufgaben sind aber recht häufig erwünscht. So zum Beispiel bei der Erfassung von Objekten auf einer Rollenbahn oder bei anderen Transportsystemen, bei automatischen Türöffnern sowie bei Alarm- und Sicherungssystemen. Ein besonders heikles Anwendungsgebiet sind Auswurfkontrollen an Pressen und Kunststoff- Spritzgussmaschinen. In all diesen Bereichen musste man auf eine optimale Lösung verzichten oder aber mehrere, verschiedenartige Näherungsschaltersys-teme verwenden, zeitweise kombiniert mit weiteren Schaltsystemen wie Druckschalter, Lichtschranken, pneamatische Schalter etc. Die hiermit verbundenen hohen Kosten, vielfältige Ursachen für Fehlschaltungen und Komplexität in der Wartung, sind verständlich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Näherungsschalter zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile behebt, kostengünstig und wartungsarm ist, und insbesondere statische wie auch dynamische Objekte wahrnimmt.
Diese Aufgabe löst ein optischer Näherungsschalter der sich dadurch auszeichnet, dass Sender und EmpfcAnger je hinter einer separaten Zylinderlinse angeordnet sind, die in einer Ebene liegen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt und anhand der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Anordnung von Sender und Empfänger hinter Zylinderlinsen, sowie das sich ergebende Abtastfeld In Fig. 2 ist das Blockschema des erfindungsgemässen Näherungsschalter dargestellt und Fig. 3 dient der Erläuterung der Schaltanordnung des Empfängers.
Fig. 4 zeigt einen Querscllnitt tie-r Linse und dcn Strahlengang.
Für den Anwender ist das Abtastfeld eines Näherungsschalters einer der wesentlichsten Punkte, neben der Arbeitsweise desselben. Daher sei vorerst auf das Abtastfeld eingegangen. In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Näherungsschalters dargestellt.
In einem strichliniert dargestellten Gehäuse 10 sind drei separate Zylinderlinsen 20,21 und 22 in einer Ebene angeordnet. Die Zylinderlinsen 20 - 22 liegen auf einem Kreisbogen. Hinter den Linsen 20 und 22 sind zum Sendeteil gehörende licht-emittierende Dioden (LED) 23, 23' angeordnet, die in bestimmten Abständen Lichtimpulse ausstrahlen. Die Zylinderlinsen 20, 22 sorgen dafür, dass das kegelförmig ausgestrahlte Licht nach der Linse in Form eines Scheibensektor A, B weiter verläuft. Die beiden Scheibensektoren decken sich teilweise.
Zwischen den beiden Linsen der Sender liegt die Zylinderlinse 21, die dem Empfänger bzw. den Empfängern 24, 24' zugeordnet ist. Die Anzahl der Empfänger, d.h. genan gesagt die Anzahl der Photodioden des Empfängerteiles ist abhängig von der Anordnung und dem Winkel des erwünschten Abtastfeldes. Auch hier wird wiederum der kegelförmige Empfangsbereich der Photodioden durch di Zylinderlinse in einem Bereich in Form eines Scheibensektors umgewandelt.
Das Abtastfeld ergibt sich nun aus den sich überschneidenden Scheibensektoren von Sendern und Empfängern d.h. den Zonen At und B'. Der direkt vor der Empfangslinse211 liegende Raum der von keinem der beiden Sender erreicht wird, heisst Parallaxzone. Diese Parallaxzone ist erforderlich um ein direktes Uebersprechen eines Sendesignals auf den Empfänger zu vermeiden. Die Abtastdistanz ist mehr oder weniger einzig von der Leistung der elektronischen Schaltung und der mit infrarotem Licht arbeitenden Dioden (LED) abhängig.
In der einfachsten Ausführung mit je einer Zylinderlinse, einem Sender und Empfänger wird ein Abtastfeld von ca. 600 erzielt. Die bevorzugte Ausführung mit zwei Sendern beidseits von zwei zusammengenommenen Empfängern ermöglicht ein Abtastfeld wie in der Zeichnung dargestellt von ca. 1200 Ausbreitwinkel. Der Halbwertswinkel des scheibensektorförmigen Abtastfeldes beträgt normal 30 - 5 0.
Falls erforderlich, können mehrere gleichartige Näherungsschalter nebeneinander, gekoppelt angeordnet werden bis zu einem 3600 Panorama. Dabei ist einzig darauf zu achten, dass immer ein Empfängerteil an einen Empfängerteil und ein Sendeteil an einen Sendeteil stösst, damit keine ungewunschte Beeinflussung auftritt.
Wie aus dem-Blockschema nach Figur 2 ersichtlich ist, ist die vorgenannte Möglichkeit bereits schaltungsmässig berücksichtigt. Dies ist aus der eingangseitig angeordneten Synchronisationsschaltung 30 ersichtlich, die dafür sorgt, dass ein Gerät frequenzbestimmend für das andere ist. Folglich werden sonst auftretende Interferenzstörungen verhindert. Ein Impulsgenerator 31 erzeugt die gewünschte Signalfolge. Mit einer Frequenz von ca. 900 - 1100 Hz werden ~Vmpulso mit einer Breite von ca. 10 vu sec. und einem Abstand von ca. 1 in/sec. produziert. Die Signale des Impulsgebers gehen über eine Leistungsendstufe 32 auf die LED 23, 23'.
Die vom Empfänger empfangenen reflektierten Signale werden mittels eines Vorverstärkers 33 verstärkt.
Die vorverstärkten Signale gehen nun über einen Filter-Verstärker 34, in dem die niederfrequenten Signalanteile ausgeschaltet werden, und das verbleibende Rutzsignal, welches nur unwesentlich verzerrt wird, auf eine Koinzidenzstufe 35. Die Koinzidenzstufe 35 stöbt mit dem Impulsgeber 31 in Verbindung und vergleicht die zeitliche Koinzidenz der Sende- und Empfangasignale.
Nur die koinzidenten Signale werden durchgelassen.
Die passierten koinzidenten Signale gelangen zum Integrator 36 und werden in eine Ausgangsspannung proportional zum Empfangssignal gewandelt. Diese Ausgangsspannung liegt an einem Komperator 37 an.
Der Komperator vergleicht die proportionale Spannung mit einer einstellbaren Referenz spannung. Die Referenzspannung gibt die Ansprechschwelle an.
Erreicht die Ausgangsspannung die Höhe der Ansprechschwelle, schaltet der Komperator 37 durch auf eine Endstufe 38. Die Endstufe 38 kann als statischer Ausgang ausgebildet sein, oder falls dies von der Anwendung her bevorzugt wird, ein Relais 39 treiben.
Die Schaltung 40 des Empfängers weit gewisse Besonderheiten auf, auf die hier noch kurz eingegangen wird. Als Empfänger 24, 24' werden vorteilhafterweise zwei schnelle Photodioden, die als Photo elemente in Serie geschaltet sind, verwendet. Folglich arbeiten die Photodioden nicht wie Dioden stronmässig, sondern spannungsmässig in Abhängigkeit der empfangenen Lichtstärke. Der Operationsverstärker 41 weist eine Gleichtaktunterdrückung von ca. 80 dB auf. Treten somit Stölunge im Verknüpfungspunkt Rx, Ry auf, werden diesc'1-ben unterdrückt, weil die Photodioden 24, 24' nicht direkt dem Operationsverstärkere rngang ve rge schaltet sind. Die Art der Schaltung wird oft als "Floating Input" bezeichnet.
Es kann von Vorteil sein, vor oder hinter der Zylinderlinse des Empfängers einen optischen Filter einzubauen, der nur den infraroten Anteil der Strahlung durchlässt.
Die Form der Zylinderlinsen ist am deutlichsten aus dem Schnittbild der Figur 4 ersichtlich, in welchem auch der Strahlengang dargestellt ist.
Die Linse 20 weist eine zum Empfänger bzw. Sender gelegene plane Fläche 25 auf, während die gegenüber liegende Fläche 26 halbkreisförmig gewölbt ist. Der emittierte Lichtstrahl wird beim Eintritt in die Linse zum Lot und beim Austritt vom Lot gebogen, wodurch eine erhebliche Bündelung der Strahlen in der Schnittebene der Linse entsteht. Hierdurch erklärt SiCil die scheibenförmige Ausdehnung des Abtastfeldes.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Optischer Näherungsschalter mit mindestens einem lichausstrahlenden Sender und mindestens einem auf dessen Licht ansprechenden Empfänger, dadurch gekennzeichnet, dass Sender(23,23') und Empfänger (24,24') je hinter einer separaten Zylinderlinse (20-22) angeordnet sind, die in einer Ebene liegen.
2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen je zwei benachbarter Zylinderlinser (20-22) einen Winkel einschliessen.
Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hinter einer Zylinderlinse mindestens zwei Empfänger (24,24') angeordnet sind, die eine Empfängereinheit bilden.
Näherungsschalter nach anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, nase die Empfängereinheit zwischen zwei Sendern (23,23') angeordnet ist.
Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Empfänger mindestens zwei schnelle Photodiode umfassen, die als Photoelemente in Serie geschaltet sind, wobei im Verknüpfungspunkt (Rx, Ry) der Schaltanordnung auftretende Störungen durch die hohe Gleicht aktunterdriikkung eines Operationsverstärkers (40) unterdrückt werden.
£.. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen des oder der Sender Infrarot-Leuchtdioden vorgesehen sind und dass im Empfänger der Zylinderlinse (21) ein optischer Filter vorgeschaltet ist, der nur den Infrarot-Tichtanteil durchlässt.
7. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Sender mindestens zwei Infrarot-Leuchtdioden angeordnet sind.
o. Naherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Synchronisationsschaltung (30) eingangsseitig vorgesehen ist, die frequenzbestimmend für einen weiteren angekoppelten Schalter wirkt.
;3. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulsgenerator (31) der die Sendesignale liefert mit einer Koinzidenzstufe (35) der Empfingerschaltung rekoppelt ist und nur bei zeitlicher Koinzidenz der Sendc und Empfangssignale das empfangene Signal an einen Integrator (36) weiterleitet, der eine dem empfangenen Signal proportionale Spannung einem Komperator (37) zuleitet, der das verglichene Signal bei Erreichen einer Referentspannung durchschaltet auf eine Endstufe (38).
10. Waherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlinsen die Form eines in einer Ebene der Längsachse geschnittenen Kreiszylinders haben und dass die Schnittfläche auf der Seite des Senders bezw.

des Empfängers liegt.