DE3137835C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Näherungsschalter, der
auf ein stillstehendes oder bewegliches Licht einer
Lichtsendeeinheit zu einer Lichtempfangseinheit zurückwerfendes
Objekt anspricht, mit einem Gehäuse, in dem die
Lichtsendeeinheit und die Lichtempfangseinheit untergebracht
sind, wobei die Lichtsendeeinheit zwei Leuchtdioden aufweist,
deren jeder je eine Linse so optisch nachgeordnet ist, daß
die von diesen Linsen ausgehenden Sendelichtbündel in Richtung
zum Objekt divergieren, und die Lichtempfangseinheit eine Linse
mit einem sich in Richtung zum Objekt öffnenden sektorförmigen
Erkennungsfeld enthält, der ein photoelektrisches Wandlerelement
optisch nachgeordnet ist.
Ein optischer Näherungsschalter dieser Art ist durch die
US 35 46 467 bekannt. Die Lichtsendeeinheit erzeugt über die
Leuchtdioden zwei voneinander getrennte Sendelichtbündel, um
Objekte in einem Winkelbereich erfassen zu können, der durch
die beiden Sendelichtbündel begrenzt ist. Dabei sind die
Sendelichtbündel nur auf kleinere Endabschnitte des
Winkelbereiches gerichtet, so daß der gesamte mittlere
Winkelbereich nicht erfaßt wird. Dies hängt damit zusammen,
daß sich die schmalen Sendelichtbündel nicht überlappen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen optischen Näherungsschalter
der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß Objekte in
einem großen Winkelbereich kontinuierlich erfaßt werden können,
d. h. ein möglichst großes Erkennungsfeld erreicht wird.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch folgende Merkmale
gelöst:
- a) die zwei Linsen der Lichtsendeeinheit sind Zylinderlinsen;
- b) diese zwei Zylinderlinsen sind so angeordnet, daß zwei sich teilweise überdeckende, sich sektorförmig aneinanderreihende Sendelichtbündel entstehen;
- c) die Linse der Lichtempfangseinheit ist ebenfalls eine Zylinderlinse, die zwischen den beiden Zylinderlinsen der Lichtsendeeinheit angeordnet ist;
- d) das sektorförmige Erkennungsfeld erstreckt sich über Teile beider Sendelichtbündel.
Mit dieser Ausgestaltung und Anordnung der Lichtsendeeinheit
und der Lichtempfangseinheit überlappen sich die beiden
Lichtsendebündel, so daß sie sich zusammen über einen sehr
großen Winkelbereich erstrecken.
Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß die
Lichtempfangseinheit zur Vergrößerung des Winkels des
sektorförmigen Erkennungsfeldes zwei in Abstand voneinander
angeordnete Photodioden umfaßt.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Lichtsendeeinheit mit
Infrarotlicht aussendenden Leuchtdioden bestückt ist, und daß
die Zylinderlinse der Lichtempfangseinheit mit einem nur für
Infrarotstrahlen durchlässigen Filter versehen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des optischen Näherungsschalters
sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Anordnung von Lichtsendeeinheit und
Lichtempfangseinheit mit Zylinderlinsen mit dem
dazugehörigen Erkennungsfeld,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des Näherungsschalters nach
der Erfindung,
Fig. 3 eine Auswerteschaltung für die Lichtempfangseinheit
und
Fig. 4 im Querschnitt eine Zylinderlinse mit dem
Strahlengang durch die Zylinderlinse.
Für den Anwender ist das Erkennungsfeld eines Näherungsschalters
einer der wesentlichsten Punkte neben der Arbeitsweise
desselben. Daher sei vorerst auf das Erkennungsfeld
eingegangen. In Fig. 1 ist eine Ausführungsform
des Näherungsschalters dargestellt. In einem gestrichelt
dargestellten Gehäuse 10 sind drei separate Zylinderlinsen
20, 21 und 22 in einer Ebene angeordnet. Die Zylinderlinsen
20 bis 22 liegen auf einem Kreisbogen. Hinter den
Zylinderlinsen 20 und 22 sind zur Lichtsendeeinheit gehörende
licht-emittierende Dioden (LED) 23 und 23′ angeordnet, die
in bestimmten Abständen Lichtimpulse ausstrahlen. Die
Zylinderlinsen 20 bis 22 sorgen dafür, daß das kegelförmig
ausgestrahlte Licht nach der Zylinderlinse in Form eines
scheibenförmigen Sendelichtbündels A bzw. B weiter verläuft.
Die beiden Sendelichtbündel A und B überdecken sich teilweise.
Zwischen den beiden Zylinderlinsen 20 und 22 der
Lichtsendeeinheit liegt die Zylinderlinse 21 vor den Photodioden
24 und 24′ der Lichtempfangseinheit. Die Anzahl der Photodioden
der Lichtempfangseinheit ist abhängig von der Anordnung und
dem Winkel des gewünschten Erkennungsfeldes. Auch hier wird
wiederum der kegelförmige Empfangsbereich der Photodioden 24
und 24′ durch die vorgeschaltete Zylinderlinse 21 in ein
scheibenförmiges Empfangsfeld umgewandelt.
Das Erkennungsfeld C ergibt sich nun aus den sich
überschneidenden Bereichen A′ und B′. Der direkt vor der
Zylinderlinse 21 der Lichtempfangseinheit liegende Raum, der
von keinem der beiden Sendelichtbündeln A und B erreicht wird,
heißt Parallaxzone. Diese Parallaxzone ist erforderlich, um
ein direktes Übersprechen eines Sendelichtbündels auf die
Lichtempfangseinheit zu vermeiden. Die Abtastdistanz ist mehr
oder weniger einzig von der Leistung der elektronischen
Schaltung und der mit infrarotem Licht arbeitenden Dioden (LED)
der Lichtsendeeinheit abhängig.
In der einfachsten Ausführung mit je einer Zylinderlinse, einer
Lichtsendeeinheit und einer Lichtempfangseinheit wird ein
Erkennungsfeld von ca. 60° erzielt. Die Ausführung
mit jeweils einer Leuchtdiode 23 bzw. 23′ zu beiden Seiten
von zwei Photodioden 24 und 24′ als Lichtempfangseinheit ergibt
ein Erkennungsfeld von ca. 120°, wie in der Zeichnung
dargestellt ist. Der Halbwertswinkel des scheibensektorförmigen
Erkennungsfeldes beträgt normal 3° bis 5°.
Falls erforderlich, können mehrere gleichartige
Näherungsschalter nebeneinander gekoppelt angeordnet werden
bis zu einem 360°-Panorama. Dabei ist einzig darauf zu achten,
daß immer eine Lichtempfangseinheit an eine Lichtempfangseinheit und eine
Lichtsendeeinheit an eine Lichtsendeeinheit stößt,
damit keine unerwünschte, gegenseitige Beeinflussung auftritt.
Wie aus dem Blockschema nach Fig. 2 ersichtlich ist, ist die
vorgenannte Möglichkeit bereits schaltungsmäßig berücksichtigt.
Dies ist aus der eingangsseitig 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 bis 1100 Hz werden Impulse mit
einer Breite von ca. 10 µsec und einem Abstand von ca. 1
m/sec produziert. Die Signale des Impulsgebers gehen über
eine Leistungsendstufe 32 auf die Leuchtdioden (LED, 23 und
23′).
Die von der Lichtempfangseinheit empfangenen, reflektierten
Signale werden mittels eines Vorverstärkers 33 verstärkt, die
vorverstärkten Signale gelangen über einen Filter-Verstärker
34, in dem die niederfrequenten Signalanteile ausgeschaltet
werden, als verbleibendes Nutzsignal, welches nur unwesentlich
verzerrt ist, auf eine Koinzidenzstufe 35. Die Koinzidenzstufe
35 steht mit dem Impulsgeber 31 in Verbindung und vergleicht
die zeitliche Koinzidenz zwischen den gesendeten und empfangenen
Signalen. Nur die koinzidenten Signale werden durchgelassen.
Die durchgelassenen koinzidenten Signale gelangen zu einem
Integrator 36 und werden in eine zum empfangenen Signal
proportionale Ausgangsspannung umgewandelt. Diese
Ausgangsspannung liegt an einem Komparator 37 an. Der Komparator
vergleicht die proportionale Ausgangsspannung des Integrators
36 mit einer einstellbaren Referenzspannung. Die
Referenzspannung bestimmt eine Ansprechschwelle. Erreicht
die Ausgangsspannung die Höhe der Ansprechschwelle, schaltet
der Komparator 37 auf eine Endstufe 38 durch. Die Endstufe
38 kann als statischer Ausgangskreis ausgebildet sein, oder
falls dies von der Anwendung her bevorzugt wird, ein Relais
39 schalten.
Eine Schaltung 40 der Lichtempfangseinheit weist gewisse
Besonderheiten auf, auf die hier noch kurz eingegangen wird.
Es werden vorteilhafterweise zwei schnelle Photodioden 24 und
24′ eingesetzt, die als Photoelemente in Serie geschaltet sind.
Folglich arbeiten die Photodioden 24 und 24′ nicht wie Dioden
strommäßig, sondern spannungsmäßig in Abhängigkeit von der
empfangenen Lichtstärke. Ein Operationsverstärker 41 weist
eine Gleichtaktunterdrückung von ca. 80 dB auf. Treten somit
Störungen im Verknüpfungspunkt Rx, Ry auf, werden dieselben
unterdrückt, weil die Photodioden 24 und 24′ nicht direkt dem
Eingang des Operationsverstärkers vorgeschaltet sind. Die Art
der Schaltung wird oft als "Floating Input" bezeichnet.
Es kann von Vorteil sein, vor oder hinter der Zylinderlinse
21 der Lichtempfangseinheit ein optisches Filter vorzusehen,
das nur den infraroten Anteil der Strahlung durchläßt.
Die Form der Zylinderlinsen 20 und 22 ist am deutlichsten aus
dem Schnitt nach Fig. 4 ersichtlich, in welchem auch der
Strahlengang dargestellt ist.
Die Zylinderdüse 20 weist eine zur Lichtempfangseinheit bzw.
Lichtsendeeinheit angeordnete plane Fläche 25 auf, während
die gegenüberliegende Fläche 26 halbkreisförmig gewölbt ist.
Die emittierenden Lichtstrahlen der Lichtsendeeinheit werden beim
Eintritt in die Zylinderlinsen 20 und 22 zur Mittelebene und
beim Austritt von der Mittelebene gelenkt, wodurch eine
erhebliche Bündelung der Strahlen in den Schnittebenen der
Zylinderlinsen 20 und 22 entsteht. Hierdurch erklärt sich die
scheibenförmige Ausdehnung des Erkennungsfeldes.
Claims (7)
1. Optischer Näherungsschalter, der auf ein stillstehendes
oder bewegliches Licht einer Lichtsendeeinheit zu einer
Lichtempfangseinheit zurückwerfendes Objekt anspricht,
mit einem Gehäuse, in dem die Lichtsendeeinheit und die
Lichtempfangseinheit untergebracht sind, wobei die
Lichtsendeeinheit zwei Leuchtdioden aufweist, deren jeder
je eine Linse so optisch nachgeordnet ist, daß die von
diesen Linsen ausgehenden Sendelichtbündel in Richtung
zum Objekt divergieren, und die Lichtempfangseinheit eine
Linse mit einem sich in Richtung zum Objekt öffnenden
sektorförmigen Erkennungsfeld enthält, der ein
photoelektrisches Wandlerelement optisch nachgeordnet ist,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) die zwei Linsen der Lichtsendeeinheit sind Zylinderlinsen (20, 22);
- b) diese zwei Zylinderlinsen (20, 22) sind so angeordnet, daß zwei sich teilweise überdeckende, sich sektorförmig aneinanderreihende Sendelichtbündel (A, B) entstehen;
- c) die Linse der Lichtempfangseinheit ist ebenfalls eine Zylinderlinse (21), die zwischen den beiden Zylinderlinsen (20, 22) der Lichtsendeeinheit angeordnet ist;
- d) das sektorförmige Erkennungsfeld (C) erstreckt sich über Teile beider Sendelichtbündel (A, B).
2. Optischer Näherungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtempfangseinheit zur Vergrößerung des Winkels
des sektorförmigen Erkennungsfeldes zwei in Abstand
voneinander angeordnete Photodioden (24, 24′) umfaßt.
3. Optischer Näherungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtsendeeinheit mit Infrarotlicht aussendenden
Leuchtdioden (23, 23′) bestückt ist, und
daß die Zylinderlinse (21) der Lichtempfangseinheit mit einem nur für Infrarotstrahlen durchlässigen Filter versehen ist.
daß die Zylinderlinse (21) der Lichtempfangseinheit mit einem nur für Infrarotstrahlen durchlässigen Filter versehen ist.
4. Optischer Näherungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Impulsgenerator (31), der die Leuchtdioden ansteuernden
Sendesignale liefert, mit einer Koinzidenzstufe (35) einer
Empfängerschaltung für die Ausgangssignale des photoelektrischen
Wandlerelementes gekoppelt ist, die nur bei zeitlicher
Koinzidenz der Sende- und Ausgangssignale die Ausgangssignale
an einen Integrator (36) weiterleitet, der eine den
Ausgangssignalen proportionale Spannung einem Komparator (37)
zuleitet, der dann, wenn die Ausgangssignale eine
Referenzspanung erreichen, eine Endstufe (38) durchschaltet.
5. Optischer Näherungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtempfangseinheit mindestens zwei Photodioden
(24, 24′) umfaßt, die als Photoelemente in Serie geschaltet
sind, wobei im Verknüpfungspunkt (Rx, Ry) der
Schaltanordnung auftretende Störungen durch die hohe
Gleichtaktunterdrückung eines Operationsverstärkers (40)
unterdrückt werden.
6. Optischer Näherungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Synchronisationsschaltung (30) eingangsseitig
vorgesehen ist, die frequenzbestimmend für einen weiteren
angekoppelten Schalter wirkt.
7. Optischer Näherungsschalter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zylinderlinsen (20, 21, 22) die Form eines in einer Ebene der Längsachse geschnittenen Kreiszylinders haben, und
daß die Schnittfläche auf der Seite der Lichtsendeeinheit bzw. der Lichtempfangseinheit liegt.
daß die Zylinderlinsen (20, 21, 22) die Form eines in einer Ebene der Längsachse geschnittenen Kreiszylinders haben, und
daß die Schnittfläche auf der Seite der Lichtsendeeinheit bzw. der Lichtempfangseinheit liegt.
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DE3137835C2 true DE3137835C2 (de) | 1991-08-14 |
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