DE3407210A1 - Photoelektrischer schalter - Google Patents

Description

Photoelektrischer Schalter

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf photoelektrische Schalter tind insbesondere auf einen photoelektrischen Schalter, der reflektiertes Licht empfängt und die Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines innerhalb eines vorbestimmten Erfassungsbereichs zu erfassenden Gegenstandes zur optimalen Steuerung einer zugeordneten Betätigungsschaltung mit großer Genauigkeit erfassen kann.

Einer der bekannten photo elektrischen Schalter der oben erwähnten Art ist in der US-PS 4 051 365 offenbart und hier in der Pig. 14· gezeigt. Dieser Schalter weist einen Lichtabgabeabschnitt 11* für die Emission von Licht L¹ und einen reflektiertes Licht empfangenden Abschnitt 12* auf. Sobald ein zu erfassender Gegenstand sich innerhalb eines solchen durch die beiden Abschniite gebildeten und mit Doppelschraffur dargestellten Erfassungsbereichs D^f befindet, erzeugt ein elektrisches Licht erfassendes Detektorelement in dem Licht empfangenden Abschnitt 12' einen einen vorbestimmtem Begel oder Wert überschreitenden Signalstrom, so daß eine mit dem photoelektrischen Schalter arbeitsmäßig verbundene elektrische Einrichtung durch eine eigentliche Signalverarbeitungsschaltung und eine zugeordnete Betätigungsschaltung zweckmäßig gesteuert wird. Bei dieser Anordnung wird jedoch der Licht empfangende Abschnitt je nach der Menge des vom Gegenstand reflektierten Lichtes betätigt, wobei ein Problem entstehen kann, das beispielsweise darin besteht, daß dann, wenn ein Ding hohen Reflexionsgrades hinter dem Erfassungsbereich anwesend oder dahinter kommt, die Menge des von dem Licht empfangenden Abschnitt empfangenen Lichtes zunimmt und infolgedessen die elektrische Einrichtung auch ohne die Anwesenheit eines innerhalb des

Bereiches zu erfassenden Gegenstandes gesteuert werden muß.

Obwohl nun die US-PS 3 443 502 und die japanische Offenlegungsschrift Nr. 119006/80 nicht den oben genannten photoelektrischen Schalter betreffen, werden sie herangezogen, wobei sie Beispiele bekannter Entfernungsmeßeinrichtungen zeigen. Die U. S.-Pat ent schrift zeigt eine Entfernungsmeßeinrichtung bei einer Selbstfokussierkamera, worin ein von einer Lichtquelle ausgesendeter und von einem zu photograph!erenden Gegenstand reflektierter Strahl einer licht empfangenden Linse, die zur Durchführung einer trigonometrischen Entfernungsmessung vorgesehen ist, sowie einem Paar von hinter der Linse angeordneten Photozellen zugeführt wird, um einen oder mehrere Signalströme aus einer oder beiden Photozellen entsprechend dem Einfallswinkel des Strahles oder Strahlenbündels in Bezug auf die Linsen zu erzeugen. Die Photozellen sind über ein Paar von Verstärkerschaltungen und -schalter mit einem Paar von Solenoiden verbunden, wobei ein Linsenmechanismus mit den Solenoiden arbeitsmäßig verbunden ist, um dadurch gesteuert zu werden und seinen Fokus zu ändern und zwar so, daß eines der SoIenoide oder beide Solenoide,\ die durch den Signalstrom oder die Signalströme entsprechend dem Einfallswinkel des Strahles oder Strahlenbündels erregt werden, den Linsenfokus einstellen. Da jedoch der Kondensorlichtpunkt auf den Photozellen verhältnismäßig groß ist, kann das System dieser Patentschrift nicht direkt zur Erfassung eines Gegenstandes, der in einen vorbestimmten Erfassungsbereich eintritt, mit hoher Präzision Anwendung finden, da die Gegenstandsentfernungsmessung eine zu lange Strecke betrifft, wogegen das System für den Betrieb des Linsenmechanismus mit einer verhältnismäßig geringen Genauigkeit Verwendung finden kann.

Bei dem in der japanischen Offenlegungsschrift off entarten System zur Messung von Entfernungen wird andererseits ein von einem zu detektierenden Gegenstand reflektierter Strahl durch eine Lichtempfängerlinse von einem hinter der Linse vorgesehenen Lagedetektions- oder Stellungsbestimmungselement zur Erzeugung von zwei unterschiedlichen Signalströmen entsprechend der Stellung des Kondensorlichtfleckes am Element empfangen, um — ähnlich wie ber des US-Patentschrift — eine trigonometrische Messung durchzuführen. Das Lagedetektionselement ist mit einer Rechen schaltung zur Berechnung der beiden Signale verbunden, so daß eine Korrekturschaltung entsprechend dem berechneten Wert betätigt wird. Die beiden Signale werden von der Rechenschaltung verstärkt, wobei zu beachten ist, daß sofern es sich um die Detektion der Verschiebung des zu detektierenden Gegenstandes handelt, wie bei dieser Offenlegungsschrift der Fall ist, der dynamische Bereich der gewöhliehen Verstärkerschaltung der Größenordnung eines dreistelligen Betrages den Zweck erfüllt, da der Erfassungsbereich, d.h. die Detektiosnfläche, beschränkt ist. Der photoelektrische Schalter wird aber insbesondere zur Detektion eines Gegenstandes verwendet, der durch ein Förderband oder dgl. befördert wird wobei die .DetekiAonsfläche etwa 30 bis 300 mm groß ist. Darüber hinaus ist ein zumindest zweistelliger dynamischer Bereich zur Verarbeitung der Änderung der Entfernung des Gegenstandes und ein weiterer zumindest zweistelliger dynamischer Bereich zur Verarbeitung der Änderung des Reflexionsgrades des Gegenstandes erforderlich, so daß — außer wenn die Verstärkerschaltung einen dynamischen Bereiöh hat, der vier oder mehr Stellen aufweist — der dynamische Bereich gesättigt und die gemessene Entfernung fehlerhaft sein wird. Ein weiteres Problem kann entstehen, wenn der dynamische Bereich der Verstärkerschaltung erweitert wird, um die Sättigung zu vermeiden, wodurch die Schaltung sehr kompliziert und aufwändig wird.

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines photoelektrischen Schalters unter Ausschaltung jeglicher fehlerhaften Erfassung und zwar sogar dann, wenn der dynamische Bereich oder Verstärkungsumfang der Verstärkerschaltung für die Empfangsliehtsignale gesättigt ist, ohne jedoch die Stellenzahl zu vergrößern, nämlich dadurch, daß der nächste Grenzpunkt des Stellbereichs des Erfassungsbereichs weiter als ein Schnittpunkt eines aufgeworfenen Lichtstrahles oder Lichtstrahlbündels mit einer die Mittelpunkte einer Lichtempfangslinse und eines Standortbestimmungs- oder Stellungserfassungselementes verbindenden Linie innerhalb einer Schaltung für den Vergleich von berechneten Werten einer die Signale aus der Verstärkerschaltung verarbeitenden Eechenschaltung mit einem vorbestimmten Wert liegt.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung erhellen aus der nachfolgenden näheren Beschreibung des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen; darin zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild ener Ausführungsform des erfindungsgemäßen photo elektrischen Schalters;

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Eindimensionalst ellungsbestimmungselements gem. Fig. 1;

Fig. 3A und 3B Erläuterungsansichten des LichtempfangszuStandes in Bezug auf die Stellung eines zu erfassenden Gegenstandes;

Fig. 4 ein Kurvenbild zur Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen der Entfernung bis zum Gegenstand odes des Ausgangs einer Subtraktionsschaltung gem. Fig. 1;

Fig. 5A ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen der Entfernung bis zum Ge-

genstand und der Ausgänge eines Paares von Verstärkerschaltungen gem. Pig. 1 zur Erläuterung, wie ein Entfernungsmeßfehler entsteht;

Pig. 5B ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verhält-', nisses zwischen der Entfernung bis. zum Gegenstand und des Ausgangs der Su"btraktionsschaltung zur Erläuterung, wie der Entfernungsmeßfehler entsteht;
10

Pig. 6 eine Erläuterungsansicht eines Verhältnisses zwischen der Stellung des Gegenstandes und des Stellungstiestimmungselements gem. Pig. 1;

Pig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen der Entfernung des Gegenstandes und der Zentralstellung des Kondensorlichtfleckes am Element gem. Pig. 1;

Pig. 8 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Zentralstellung des Lichtfleckes und dem Ausgang der Suhtraktionsschaltung gem. Pig. 1;

Pig. 9A und 9B "bzw. 9C graphische Darstellungen der Verhältnisse zwischen der Entfernung "bis zum Gegenstand und dem berechneten Ausgang der Eechenschaltung gem. Pig. 1 unter unterschiedlichen Bedingungen;

pig. 10 ein Teirblockschalfbild einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen photoelektrischen Schalters;

Pig. 11 eine Erläuterungsansicht des Verhältnisses zwischen der Stellung des Gegenstandes und Stellungsbestimmungselementen;

Pig. 12 und 13 Blockschaltbilder weiterer Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes; und

Fig. 14 ein Ausführungsbeispiel eines "bekannten photoelektrischen Schalters.

Während nun die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen gemäß den Zeichnungen zu beschreiben sein wird, ist zu beachten, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen zu beschränken ist und daß sämtliche Abwandlungen und Abänderungen sowie alle möglichen Äquivalentanordnungen innerhalb des Schutzumfanges der beigefügten Patentansprüche liegen.

Gem. Pig. 1 weist der photoelektrische Schalter im allgemeinen einen Lichtabgabeabschnitt 11 und einen Abschnitt 12 zum Empfang des reflektierten Lichts auf. In dem Lichtabgabeabschnitt 11 wird ein Lichtstrahl bzw. Lichtstrahlenbündel LB von einem Lichtabgabeelement 15, wie z.B. einer Lichtemissionsdiode oder Laserdiode geworfen und dann durch eine mit einer Oszillatorschaltung verbundene Treiberschaltung 14 impulsmoduliert.

Der Lichtempfängerabschnitt 12 weist ein Eindimensionalstellungsbestimmungselement (nachfolgend SBE genannt) auf, das den Lichtstrahl LB, der von einem zu erfassenden Gegenstand X reflektiert ist, als durch eine das Licht trigonometrisch empfangende Linse zu einem Lichtfleck S auf dem SBE kondensiert empfängt. Das SBE 16 gem. Pig. 2 ist ein Halbleiter, der eine Oberflächenschicht P, eine Rückoberflächenschicht N und eine Zwischenschicht I aufweist und auf die Menge des empfangenen Lichts ansprechende Stromsignale I,. und Lg erzeugt... Das Signal I nimmt proportional zu einer Größe zu, bei welcher der Lichtfleck S in einer Richtung auf dem SBE verschoben wird, wogegen das Signal I_ proportional zur

Größe der Verschiebung abnimmt. Verschiebt sich nun der Gegenstand X entlang des Strahlenbündels LB, so wird der Lichtfleck aus gesammeltem Licht, d.h. der Lichtfleck des Vom Gegenstand X reflektierten Lichtes, der sich in der Stellung I₁ bzw. I₂ bzw. 1~ in unterschiedlichem Abstand von dem Lichtabgabeabschnitt oder Lichtsendeabschnitt 11 gem. Fig. 3A befindet, nunmehr als Lichtfleck S₁ bzw. S₂ bzw. S, je nach der etwaigen Stellung am SBE gem. Pig. 3B gebildet, so daß das SBE 16 den Signalstrom I. bzw. I_B je nach der Verschiebung des Lichtfleckes in der jeweiligen Richtung der Pfeile M erzeugt und den jeweiligen Signalstrom einer Verstärkerschaltung zuführt. Das Stellungsbestimmungselement SBE 16 kann durch ein anderes Element wirkungsvoll ersetzt werden, sofern dieses zwei unterschiedliche Ausgangsleistungen je nach der Stellung des Lichtfleckes aus gesammeltem Licht erzeugt.

Die Verstärkerschaltung weist Wandler 17a und 17b und logarithmische Verstärker 18a und 18b auf. Die Signalströme I₄ und I_x, werden verstärkt und in den Wandlern A B

17a und 17b in Signalspannungen V. und V_B umgewandelt und dann in den logarithmischen Verstärkern 18a und

18b verstärkt, um die Aus^angswerte 1 V. bzw. 1 V_n * ; ^α η A η Ja zu erzeugen. Diese werden dann einer Rechenschaltung 19 als einer Subtraktionsschaltung zugeführt, worin das Verhältnis zwischen den Ausgangswerten 3-_nV. und 1.- Vg berechnet und das mit der Kurve W1 in der Pig. 4 gezeigte Signal ^^./V-g von der Schaltung 19 einer Vergleichersehaltung 20 zugeführt wird. Diese Schaltung 20 ist mit einem Schwellenwerteinsteller 21 zum Einstellen des Erfassungsbereichs des Gegenstandes versehen und vergleicht den durch den Schwellenwerteinsteller 21 eingestellten Wert mit dem Ausgangswert -^n^A^B ^aus ^^er ^^eCQenschaltung 19, so daß dann, wenn

nAB
das Signal ¹JV ./V₁, den eingestellten Arbeitswert unterschreitet, ein Signal mit einem Wert H erzeugt

wird. Mit anderen Worten kann die gewünschte Detektionsflache innerhalb des einstellbaren Bereiches SEA gem. Pig. 6 durch Einstellung des Schwellenwerteinstellers 21 eingestellt werden. Wenn die besagte Fläche eingestellt wird, um beispielsweise bis zu einem Punkt MP auf dem Strahl LB gem. Fig 6 zu verlaufen, so kann der Gegenstand dann irgendwo innerhalb eines Entfernungsbereiches von bis l„_fT, detektiert werden.

Jede der Verstärkerschaltungen 17a, 18a bzw. 17b, 18b für die Signale I. hat gewöhnlich einen dreistelligen dynamischen Bereich, wobei dann, wenn z.B. ein Gegenstand mit hohem Reflexionsgrad sich der Detektionsfläche nähert^ eine große Möglichkeit besteht, daß der dynamische Bereich der Terstärkerschaltungen gesättigt ist. Angenommen, daß — wie in der Fig. 5A gezeigt — der dynamische Bereich der Verstärkerschaltung 17b bzw. 18b gesättigt ist, wenn sich der Gegenstand in einer Stellung 1J3 befindet, während der dynamische Bereich der anderen Verstärkerschaltung 17a bzw. 18a gesättigt ist, wenn sich der Gegenstand in einer Stellung befindet, so wird der Ausgangswert 1-,VVv₁, der &echenschaltung 19 nicht der tatsächlichen Entfernung des Gegenstandes im Bereich awischen der Stellung IA und der StellungIvC-entsprechen, so daß ein Fehler, der Entfernungsmessung entsteht. Bei einem Bereich, der kleiner ist als die Entfernung 1#, ist der Ausgangswert IV gleich Null, da das Signalverhältnis 1aA_b ¹ i so daß die Entfernungsmessung nicht sachgemäß ist. Die Eurven in der Fig. 5B zeigen das Verhältnis zwischen dem Ausgangswert I_nVVVg der ^fiechenschaltung 19 und die Entfernung des Gegenstandes, wobei eine mit ganzer Linie dargestellte Kurve W2 den Fall darstellt, in welchem der dynamische Bereich der betreffenden Verstärkerschaltungen 17a, 18a bzw. 17b und 18b gesättigt ist, während eine gestrichelte Linie für die Kurve W3 den Fall darstellt, in welchem der dynamische Bereich nicht gesättigt ist.

Zurückkehrend zur Pig. 4 zeigt diese einen Arbeitspegel oder -wert Yg* mit einer strichpunktierten Linie, der unter Null eingestellt ist, so daß die Detektionsfläehe der Vergleicherschaltung 20 Hull nicht umfaßt. PaLIs sich dabei der Gegenstand mit hohem Reflexionsgrad innerhalb der Detektionsflache DE¹ befindet und der dynamische Bereich beider Verstärkerschaltungen 17a, 18a bzw. 17b, 18b gesättigt ist, so wird der Ausgangswert 1 VVv_x, der Rechens chal tu ng Hull. Gleich-

n A Jj

zeitig erzeugt die Vergleicherschaltung 23 ein Signal mit dem Pegel oder Wert L, wobei die durch die Signalverarbeitungsschaltung 22 mit der Vergleicherschaltung 20 verbundene Betätigungsschaltung 23 nicht erregt wird. Aus diesem Grunde entsteht ein Problem, das darin besteht, daß, obwohl sich der Gegenstand innerhalb der Detektionsoberfläche DE* befindet, er fehlerhaft detektiert ist, und zwar so, wie wenn er sich in einer Stellung ^ befände, so daß die durch die Betätigungsschaltung 23 zu betätigende Einrichtung nicht reibungs- los arbeiten wird. Die Signalverarbeitungsschaltung 22 empfängt auch ein Synchronisiersignal aus der Oszillatorschaltung 13 des Iiichtsendeabschnittes 11. Die Schaltung 22 hat die Punktion, die Ausgangsleistung der Vergleicherschaltung 20 synchron mit der Lichtemissionssteuerung des Strahles LB zu prüfen und zuverlässig zu entscheiden, ob sich der Gegenstand innerhalb der Detektionsfläche befindet oder nicht.

Hach einem wesentlichen erfindungsgemäßen Merkmal kann Q₀ jede Entstehung eines Pehlers in der Entfernungsmessung vermieden werden. Bezugnehmend insbesondere auf die Pig. 1 und 6 ist ersichtlich, daß der nächste Grenzpunkt P1 des einstellbaren Bereiches für die Detektionsfläche so gewählt ist, daß er in größerer Entfernung liegt als der Schnittpunkt C des ausgesendeten Lichtstrahles LB mit einer die Mittelpunkte der Lichtempfängerlinsen 12a und des SBE 16 verbindenden Linie. Wenn also der Bereich, in welchem der ent-

fernteste Grenzpunkt MP der Detektionsfläche DE eingestellt werden kann, zwischen den Punkten P1 und P2 liegtj so wird eine Entfernung Ip₁ von dem Lichtemissionsabschnitt 11 bis zum nächstliegenden Punkt P1 gleich groß wie eine Entfernung 1 oder größer als diese gemacht, wobei es sich um die Entfernung 1 des mittleren Schnittpunkt C der Detektionsflache handelt, wie durch die Lichtempfängerlinsen 12a und das SBE 16 bestimmt, d.h. eine Entfernung Ip-. ^ 1 · In der Praxis kann dies beispielsweise mit Hilfe eines feststehenden Widerstand oder dgl. verwirklicht werden, der als ein Regelwiderstand in der Vergleicherschaltung 20 vorgesehen werden kann.

Befindet sich nun ein Gegenstand mit hohem Reflexionsgrad in einer •'•'etektionsfläche, deren Entfernung 1. ρ zum entferntesten Grenzpunkt MP so eingestellt ist, daß sie zwischen den Entfernungen Ip₁ und l—g liegt, und empfängt das SBE 16 ein starkes Licht, das von dem Gegenstand reflektiert ist, durch die. .Linse 12a, so werden die Signale I. und Ig, welche von dem SBE 16 erzeugt werden, wie bereits beschrieben wurde, verstärkt, um die dynamischen Bereiche der Verstärkerschaltungen gesättigt zu haben. Während dies bewirkt, daß der Ausgangswert 1 V./V der Rechenschaltung 19 Null wird, so daß die Entfernungsmessung beeinträchtigt wird, steuert die Vergleicherschaltung 20 den einstellbaren Bereich SEA so, wie durch die Gleichung Ip₁ - l_e gezeigt, d.h. die Schaltung wird mit einer gewissen Bereichseinstellungssteuereinrichtung versehen. Von einem anderen Gesichtspunkt betrachtet, wird der Arbeitspegel oder -wert V₈ der Vergleicherschaltung 20 (siehe Fig. 4) immer über Null gehalten, so daß dieser Zustand stets als Hinweis dafür beurteilt wird, daß der Gegenstand X in der Detektionsflache vorliegt und demzufolge die Betätigungsschaltung 23 erregt wird. Mit anderen Worten wird bei solchen Merkmalen der erfindungsgemäßen Anordnung der gesättigte Zustand der

Verstärkerschaltungen 17a, 18a bzw. 17"b, 18b stets als Hinweis dafür gehalten, daß sich der Gegenstand in der Detektionsfläche befindet, wodurch die Betätigungsschaltung 23 erregt werden soll. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit gleichsam mit einer bedienungssicheren Punktion ausgestattet.

Bei dem photoelektrischen Schaltersystem zum Empfang des reflektierten Lichts in der trigonometrischen Art

!O und Weise gem. Pig. 6 entspricht die Entfernung 1 zwischen dem Mittelpunkt der Lichtempfängerlinse 12a und dem Mittelpunkt des Kondensorlichtfleckes S am SBE 16 in der Richtung senkrecht zum ausgesendeten Lichtstrahl LB einer Gleichung I₃ = I- χ P/l, worin P eine horizontale Entfernung zwischen der Linse 12a und dem SBE 16 und 1_Q eine Vertikal entfernung zwischen den Mittelpunkten der Lichtemissionslinse 11a und der Lichtempfängerlinse 12a darstellt und 1 eine Horizontalentfernung zwischen der Linse 11a und dem

2Q Gegenstand bedeutet. Nimmt demgemäß die Entfernung zu, so wird die Variation in 1 in Bezug auf die Entfernungsvariation AL van ZiL .j auf ^L ₂ &^em· ^FiS· verringert. Das Verhältnis zwischen der Entfernung I₈ und dem Verhältnis Ι»/Ι·ο ^der Ausgangssignale aus dem SBE 16 ist durch 1_QI_A/I_B = I_n (I«_SBEA_S - 1) dargestellt worin lg_BE die Länge von dem SBE 16 ist. Nimmt also die Variation 1 von^l_s-| auf tsl ₂ ^aiD> nimmt die Variation im Verhältnis Ii/l_B ab und die Genauigkeit der Entfernungsmessung nimmt ab, wobei jedoch die Variation Iji/lg nach dem Einfall des empfangenen Lichts in einen Endabschnitt des SBE 16 gemäß der Kurve in Pig. 8 abrupt wird und eine solche Abnahme der Genauigkeit durch die wirkungsvolle Benutzung dieses abrupten oder steilen Teils der Kurve vermieden

_oc werden kann.

Bezugnehmend nun insebesondere auf die Pig. 6 ist ersichtlich, daß dann, wenn sich der Gegenstand am fernsten Grenzpunkt P2 des einstellbaren Bereiches für die Detektionsfläche befindet, die Anordnung derart ist, daß ein Lichtfleck Sp₂ aus gesammeltem Licht des reflektierten Lichtstrahles Rp₂ aus diesem Gegenstand sich am Endabschnitt 16a des SBE 16 befindet. In diesem Falle ist der Lichtfleck Sp₂ als an der Endkante des SBE gem. Mg. 6 gebildet dargestellt, wobei jedoch dem Fachmann ohne weiteres einleuchten wird, daß infolge der Tatsache, daß der Lichtfleck praktisch eine gewisse Größe hat, sich der Mittelpunkt des Lichtfleckes geringfügig einwärts der Endkante befindet. Die Anordnung ist also so getroffen, daß sich der Mittelpunkt des SBE 16 auf der den am nächsten liegenden Grenzpunkt P1 des Bereiches SEA mit dem Mittelpunkt der Lichtempfängerlinse 12a verbindenden Linie und sich der Endabschnitt 16a des SBE 16 auf der den fernsten Grenzpunkt Ρ2Γ des Bereiches SEA mit dem Mittelpunkt der Linse 12a verbindenden Linie befindet.

Bei dieser Anordnung wird die Länge l_gBE des SBE 16 bestimmt, wobei eine den anderen Endabschnitt 16b des SBE 16 mit dem Mittelpunkt der Linse 12a verbindende Linie den Strahl LB aus dem Lichtemissionsabschnitt 11 an einem theoretisch am nächsten liegenden Grenzpunkt SP der Detektionsfläche DE schneidet. Ist demgemäß die Entfernung 1 des Gegenstandes kürzer als eine Entfernung l_gp des am nächsten liegenden Grenzpunktes SP, so befindet sich der Lichtfleck S nicht am SBE 16 und der Bereich dieser Entfernung l_gp wird eine nicht erfaßbare Zone sein. Die Entfernung l_gp des am nächsten liegenden Grenzpunktes SP wird hier durch 1 p^ χ 1^2Ip₁ dargestellt, wobei jedoch es notwendig ist, daß diese Zone näher liegt als der am nächsten liegende Grenzpunkt SP, der in der Detektionsfläche enthalten ist, um in der Praxis eine solche nicht erfassbare Zone auszuschalten. Zu diesem Zwecke muß der am nächsten

liegende Grenzpunkt bevorzugt eingestellt werden und zwar aus dem Grunde, daß dann, wenn der Lichtfleck S aus gesammeltem Licht zweckmäßig eingestellt ist, um größer zu Bein, so daß der Mittelpunkt des Lichtfleckes nicht am SBE 16 liegt, sondern dort teilweise einfällt, die nicht erfassbare Zone eliminiert werden kann, wobei jedoch eine übermäßige Vergrößerung des Lichtfleckes durch Defokussierung des Lichts zur Verschlechterung der Empfindlichkeit infolge des größeren Einflusses der Reflexionsfluktuation auf den Lichtfleck aus gesammeltem Licht führen würde.

Die erfindungsgemäßen Versuche haben gezeigt, daß der am nächsten liegende Grenzpunkt SP (der Entfernung X„p) bestimmt werden soll, um einer Gleichung 1 ^ ^ 2/31·

OJT C

zu genügen. Da andererseits der Punkt SP aus durch die Gleichung ¹ _Sp = ¹p2 ^x ^ί/²^^ " ^₀ S^eS^{elDen is}*> ^3o11 die Anordnung so getroffen werden, daß einer Gleichung IpP -2-1 Genüge getan wird. Darüber hinaus muß die Entfernung 1_Q zwischen dem Liehtemissionsabschnitt und dem Empfängerabschnitt berücksichtigt werden, wobei die Entfernungen Ip₁, l„p und Ip₂ sowie die Größe der betreffenden Komponenten des Schalters vom Standpunkt ihrer leichten Handhabung experimentell bestimmt werden. Gemäß den erfindungsgemäßen Versuchen wurde jedoch gefunden, daß die Entfernungen 1_Q und 1 vorzugsweise der Gleichung Iq/Iq £. 20 genügen sollen.

Die nachfolgende Tabelle zeigt praktische Beispiele I, II "und III der Anordnung, wenn das SBE 16 eine Länge von 3 mm hat und die obigen Anforderungen erfüllt sind. Die Verhältnisse zwischen der Entfernung 1 und dem Ausgangswert l_nV_A/V_B in diesen Beispielen sind in den Fig. 9A bis 9C gezeigt. In der Tabelle ist f die Brennweite der Linse 12a und d ihr Durchmesser.

	18	1	\	*	a	,5
	Tabelle		·%	(mm)		,7
	Lichtempfängerlinse	(mm)	(mm)	6,0		,5
	1O	7,		8,4
	(mm)	8,	4O1	18,0
I:	6,3	18,	170,		(mm)
II:	7,5	,286	,5		5
III:	13,0	,768	rO		7
	,33	,0	14

SEA

15	I:	1PI	(mm)	1 C	/o	1 P	^ c	O
II:	20	- 40	2,	78	2,	29
III:	40	- 300	5,	35	7,	50	I0 -
170	- 700	13,	1	4,	12	1 » O

¹P-

Die I¹Ig. 10 und 11 zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, "bei welcheV die Bestandteile, die jenen ähnlich, sind, die bei der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Eig. 1 bis 9 offenbart sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind, jedoch unter Hinzufügung von 100.

Bei der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Lichtempfängerabschnitte 112A und 112B in gleichem Abstand 1_Q von einem gemeinsamen Lichtemissionsabschnitt 111 angeordnet und verlaufen symmetrisch dazu. Die Lagedetektionselemente 116a und 116b in den Lichtempfängerabschnitten 112A und 112B können Phototransistoren, Photodioden, Sonnenzellen oder Kadmiumzellen, die in einer Reihe angeordnet sind, an Stelle des SBE aufweisen. Diese Elemente (die einfachheitshalber nachfolgend SBE

genannt werden) 116a und 116b erzeugen zwei Signale hinsichtlich des empfangenen Lichts, wenn sie dem reflektierten Licht ausgesetzt werden, wobei eine Summe I. der erzeugten Signale I... und I _ sowie eine Summe I_B der Signale Lg₁ und I₅₂ den ■Verstärkerschaltungen 117a, 118a bzw· 117b, 118b zugeführt werden, um in Spannungen umgewandelt und logarithmisch verstärkt zu werden und zwar im wesentlichen in derselben Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform gem. ]?ig. 1, nämlich als Ausgangwerte I_nV. bzw. ljjV-g der Yerstärkerschaltungen.

Eine Rechenschaltung 119, wie z.B. eine Subtraktionsschaltung, empfängt die Signale I_nV* "and l_n ^v _B und be-

rechnet I_n(V^₁ + ^va2^^VB1 ^{+ V}B2^ ^ζυΓ Ε⁸*®**¹·^{00 der} Entfernung 1 des Gegenstandes im wesentlichen in derselben Art und Weise wie bei der ersten Ausführungsform, wobei die Anwesenheit oder Abwesenheit des Gegenstandes innerhalb des einstellbaren Bereiches SEA festgestellt wird. In dem Fall, in welchem ein einzelnes Lichtempfängerelement verwendet wird und nur ein Teil des Gegenstandes in die Detektionsfläche eintritt, wird der Lichtfleck aus gesammeltem Licht bemerkenswert klein und am SBE im wesentlichen in derselben Stellung gebildet, in welcher ein in einer kurzen Entfernung befindlicher Gegenstand erfaßt oder detektiert wird. Infolgedessen ist möglich, daß bewirkt wird, daß der Lichtempfängerabschnitt die Detektion und den Arbeitsgang fehlerhaft durchführt, wobei jedoch infolge der Tatsache, daß bei der vorliegenden Ausführungsform die beiden Lichtempfängerabschnitte symmetrisch angeordnet sind, hervorzuheben ist, daß sogar dann, wenn eine solche fehlerhafte Detektion in einem der beiden Lichtempfängerabschni±te stattfindet, ein anderer Lichtfleck am SBE des anderen Lichtempfängerabschnittes in einer Stellung gebildet wird, die jener in dem besagten einen Lichtempfängerabschnitt ent-

₂₀ 3A07210

gegengestzt ist, d.h. in der Stellung in dem Fall, in welchem ein fern liegender Gegenstand erfaßt oder detektiert wird, wobei sich die Signale aus den beiden Abschnitten gegenseitig unwirksam machen und das Problem, das im Pail des einzelnen Liehtempfängerabschnittes entsteht, wirkungsvoll vermieden werden kann.

Die Fig. 12 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei welcher die Komponenten, die jenen der Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 10 ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen, jedoch unter Hinzufügung von 200 oder 300 versehen sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Ausgangswerte V.-j, V_Bl bzw. 7_A2> ^V£2 ^{der zxnnindes<t di}® Wandler 217a, 217b bzw. 317a, 317b' aufweisenden Verstärkerschal tungen nicht nur subtrahiert, sondern auch in Addierschaltungen 230 und 330 addiert und in Teilerschaltungen 231 und 331 geteilt, um die Ausgangswerte ^YA1 * ^YB1/^YA1 ^{+ V}B1 ^bzw· ^VA2 ~ ^YB2/^YA2 ^{+ Y}B2

erhalten. Diese beiden Ausgangssignale werden einer Addierschaltung 232 und daraufhin einer Vergleicherschaltung 220 zugeführt. Das Addierergebnis wird durch die Vergleicherschaltung 220 und weitere Schaltungen in derselben Art und Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen verarbeitet. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird nämlich 1/2[[(V_A1 - V_B1A_A1 ^{+ v}b1^

(V_A2 - V_b2/V_a2 ^{+ v}b2^U ^^{βτβο1αα&}^ι ^{um die La}S^{e des} Gegenstandes zu diskriminieren. Sofern in diesem Falle die Verschiebung des Lichtfleckes aus gesammeltem Licht kleiner als die Länge l_gBE des SBE selbst ist, kann eine hohe Detektionscharakteristik erhalten und die Funktion der Ausführungsform der Fig. 10 und 11 weiter verbessert werden.

Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher die Bauteile, die jenen der Ausführungsform gem. den Fig. 1 bis 9 ähnlich, sind, mit denselben Bezugszeichen, jedoch unter Hinzufügung von 400, versehen sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist ein Paar von Lagedetektionselementen 2-Linien-Sensoren 416a bzw. 416b auf, die eine Anzahl von Lichtempfängerelementen, wie z.B. Photodioden, aufweisen,welche in Reihen angeordnet sind. Ein Synchronisiersignal aus einer Oszillatorschaltung 413 eines Lichtsendeabschnittes 411 wird den Lichtflecklagediskrirainatoren 43Oa bzw. 430b, die mit den betreffenden Sensoren 416a bzw. 416b verbunden sind, sowie einem Addierer/ Mittelwertbildner 431 zugeführt, der zwei Ausgangsleistungen der beiden Diskriminatoren 430a bzw. 430b empfängt. Wenn die Sensoren 416a bzw. 416b je einen sog. CCD-Bildsensor darstellen, diskriminieren die Diskriminatoren 43Oa bzw. 430b ein bestimmtes Element aus den Lichtempfängerelementen, das den Lichtfleck aus gesammeltem Licht empfangen hat, wodurch die Berechnung zur Feststellung des Verhältnisses zwischen den Signal en hinsichtlich des empfangenen Lichts unnötig wird. In dem Addierer/Mittelwertbildner 431 werden andererseits zwei Jjagesignale aus den Diskriminatoren 430a bzw. 430b addiert und auf einen Mittelwert gebracht, so daß ein Lagesignal eines sich abnormal bewegenden Gegenstandes, beispielsweise parallel zu den Achsen der Lichteraissions- bzw. Lichtempfängerab= schnitte, einer zweckmäßigen Korrektur unterzogen werden kann und die Ausführungsform gem. den Fig. 10 und 11 hinsichtlich ihrer Arbeitsweise beträchtlich verbessert werden kann. Die Signalverarbeitung in einer Vergleicherschaltung 420 und in weiteren Schaltungen findet in ähnlichr Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen statt.

Hierbei ist zu "beachten, daß die bei der Ausführungsform gem. Pig. 1 verwendete BereichseinStellvorrichtung für die Vergleicherschaltung in sämtlichen Ausführungsformen der Fig. 10, 12 und 13 vorgesehen werden kann.

Dank dem erfindungsgemäßen photoelektrischen Schalter gemäß der oben beschriebenen Anordnung wird die trigonometrische Entfernungsmessung, die bei herkömmlich verwendeten photoelektrischen Schaltern zur Detektion eines beispielsweise durch ein Förderband oder dgl. bewegten Gegenstandes, wobei die nachfolgende Betätigungsschaltung angetrieben wird, nicht Anwendung gefunden hat, für die Detektion mit der hier offenbarten einzigartigen Anordnung wirkungsvoll anwendbar gemacht. Infolgedessen kann vermieden werden, daß die Entfernungsmessung eines Gegenstandes unmöglich wird, wobei die Detektion des Gegenstandes mit großer Präzision möglich wird und die normale und zuverlässige Arbeitsweise jeder durch den photoelektrischen Schalter zu betätigten Einrichtung gewährleistet werden kann.

LISTE DER TECHNISCHEN BEZEICHNUNGEN MIT BEZUGSZEICHEN

Pig. 1

13 Oszillator 14 Treiber

15 Liehtsender

16 SBE (Eindimensionalstellungsbestimmungselement) 17a Wandler 17b Wandler

IO18a logarithmischer Verstärker 18b logarithmischer Verstärker

19 Rechenschaltung

20 Vergleicher 21 Schwellenwerteinsteller 22 Signalverarbeitung

!5 23 Betätigungsschaltung

Pig. 10
117a Wandler 117b Wandler 118a Iogäri'thmiseher-Verstärker 118b logarithmischer Verstärker 119 Reohensehaltung Pig. 12

216a, 216b SBE 217a Wandler 217b Wandler

219 Rechenschaltung

220 Vergleicher 221 Schwellenwerteinsteller 222 Signalverarbeitung 223 Betätigungsschaltung

230 Addierer

231 Teiler 317a Y/andler 317b Wandler 319 Rechenschaltung

330 Addierer

331 Teiler

LISTE DER TECHNISCHEN BEZEICHNUNGEN MIT BEZUGSZEICHEN

Fig.

413 Oszillator 5

414 Treiber

415 Lichtsender 416a 2-Linien-Sensor 416b 2-Linien-Sensor 420 Vergleicher

423 Betätigungsschaltung 43Oa Lagediskriminator 43Ob Lagediskriminator 431 Addierer/Mittelwertbildner

Claims (10)

1. P3cnta
   LEVvMNSKY & PRIETSCH

   eotthardstr. 81
   D-SOOO I\/lünchsn 21

   15.118-

   28. Februar 1984

   Matsushita Electric Works, Ltd., 1048 Oaza Kadoma, Kadoma-shi, Osaka-fUj Japan

   Photoelektrischer Schalter

   Patentansprüche

   .

   1y Photoelektrischer Schalter, bei welchem ein von einer Liehtemissionseinrichtung ausgesendetes und von einem zu detektierenden Gegenstand reflektiertes Strahlenbündel als durch eine Linse einer Liehtempf anger einrichtung zu einem Lichtfleck kondensormäßig gesammelt zum Einfall auf ein Lagedetektionselement zur trigonometrischen Messung der Entfernung zu diesem Gegenstand gebracht wird, wobei zwei unterschiedliche Signale durch das besagte Element entsprechend der Lage des Lichtfleckes aus gesammeltem Licht-erzeugt werden und eine Diskriminatoreinrichtung die Anwesenheit oder Abwesenheit des

   Gegenstandes in einer Detektionsfläche auf Grund der beiden Signale diskriminiert, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Vermeidung einer Beeinträchtigung der Entfernungsmessung in Abhängigkeit von der Lage des Gegenstandes.
2. 2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminator einrichtung eine Einrichtung (17a, 17b; 18a, 18b zw. 117a, 117b, 118a, 118b bzw. 217a, 217b; 317a, 317b) zur Verstärkung der beiden Signale aufweist und daß die besagte Einrichtung zur Vermeidung einer Beeinträchtigung der Entfernungsmessung eine Einstellgrenzeinrichtung ist, welche dann, wenn der dynamische Bereich der Verstärkereinrichtung gesättigt ist, einen vorbestimmten Arbeitspegel oder -wert einstellen kann, mit welchem die besagten Signale zu vergleichen sind, wobei sie steis über Null sind.
3. 3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung so getroffen ist, daß eine Entfernung Ip₁ des am nächsten liegenden Punktes eines einstellbaren Bereichs einer Entfernung 1 eines Punktes c, an welchem ^dIe die Mittelpunkte der besagten Linse und des Lagedetekt$onselementes (16a, 16b; 116a, 116b) verbindende Linie das besagte Strahlenbündel LB schneidet, gleich oder größer als sie ist.
4. 4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar der Lichtempfängereinrichtungen (12a, 12b; 112A, 112B) auf beiden Seiten der Lichtemissionseinrichtung symmetrisch dazu vorgesehen ist.
5. 5. Schalter nach Anspruch. 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagedetektionselement (16) der Lichtempfangereinrichtung (12) ein Paar von Lichtempfängerelementen (12a, 12b; 112A, 112B) aufweist.
6. 6. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagedetektionselement der Lichtempfängereinrichtung (12) ein eindimensionales Lagedetektionselement ist.
7. 7. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatoreinrichtung eine Einrichtung zur Verstärkung der beiden Signale hinsichtlich des empfangenen Lichts aufweist und daß die Diskriminatoreinrichtung 1/2£(V_A1 - V^/V ^ + Vg₁) +

   ^(YA2 - ^YB2/^VA2 ^{+ Y}B2^ berechnet, worin V^₁, V₃₁ und V.p, Top Ausgangswerte sind, die durch die Verstärkung der besagten Signale aus den beiden Lagedetektionselementen erhalten sind. 20
8. 8. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatoreinrichtung eine Einrichtung zur logarithm sehen Verstärkung der besagten Signale hinsichtlich dea empfangenen Lichts aufweist und V⁷AI ^{+ V}A2^)/(VB1 ^{+ Y}B2^{} berech}*et, worin T_A1, V₃₃₁ und V_A2, Yg₂ Ausganswerte sind, die durch die logarithmisch^ Verstärkung der Signale erhalten sind.
9. 9· Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagedetektionselement jeder Lichtempfängereinrichtung ein Bildsensor ist.
10. 10. Photoelektrischer Schalter, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche eine lichtquelle zum Aussenden eines Strahlenbündels aufweist, durch zwei Einrichtungen,welche jeweils eine Linse zum Empfang des lichtes, das von einem einer Detektion zu unterziehenden Gegenstand bei einer trigonometrischen Messung der Entfernung zum besagten Gegenstand reflektiert wird, sowie ein lagedetektionselement, auf welches das reflektierte und empfangene licht als durch die besagte linse gebildeter lichtfleck aus gesammeltem licht einfällt, um zwei unterschiedliche Signale hinsichtlich des empfangenen lichts zu erzeugen, aufweisen, und durch eine Einrichtung zum Diskriminieren, ob sich der Gegenstand in einer Detektionsfläche befindet oder nicht und zwar auf Grund der beiden Signale aus der Signalerzeugungseinrichtung.