DE3137835C2

DE3137835C2 -

Info

Publication number: DE3137835C2
Application number: DE19813137835
Authority: DE
Inventors: Alfred Wilhelm Oberglatt Ch Heim
Original assignee: GRIESHABER AG GLATTBRUGG CH
Current assignee: GRIESHABER AG GLATTBRUGG CH
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1981-09-23
Publication date: 1991-08-14
Also published as: DE3137835A1; CH652874A5

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

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.

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.