DE3743673C2

DE3743673C2 -

Info

Publication number: DE3743673C2
Application number: DE3743673A
Authority: DE
Inventors: Fumito Kawasaki Kanagawa Jp Takahashi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1987-01-14
Filing date: 1987-12-22
Publication date: 1993-09-09
Also published as: JPS63174424A; US4803444A; DE3743673A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Annäherungsschalter vom HF-Schwingungstyp, der ein Detektorsignal abgibt, wenn ein zu ermittelnder Gegenstand sich dem Schalter nähert.

Eine Hochfrequenzschwingschaltung, die Bestandteil eines Näherungsschalters ist, hat den Vorteil, daß die Abbruchgeschwindigkeit der Schwingung hoch ist. Sie hat jedoch den Nachteil, daß die Anstiegsgeschwindigkeit, mit der die Schwingung nach einem Abbruch auf ihre ursprüngliche Amplitude steigt, sehr niedrig ist und ein langsames Ansprechverhalten zeigt. Konventionelle Näherungsschalter werfen daher das Problem auf, daß die Annäherung eines zu ermittelnden Objektes, das sich sehr schnell bewegt, nicht sehr sicher ermittelt werden kann.

Die DE 30 16 821 C2 beschreibt einen Näherungsschalter mit einer Schwingschaltung (O) und einer Detektorspule (L₁), einer Gleichrichterschaltung (D) zum Gleichrichten des Ausgangs der Schwingschaltung (O), eine Rückkopplungsschaltung (H), die das Ausgangssignal der Gleichrichterschaltung (D) einer Stromrückkopplung zur Schwingschaltung (O) unterwirft, und eine Ausgangseinrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn der Umfang der Rückkopplung einen vorbestimmten Wert überschreitet (wenn die Triggerschaltung (T) arbeitet).

Das Ziel der herkömmlichen Lösung ist dasselbe, wie das bei der vorliegenden Erfindung, insofern, als die Verstärkung der Schwingschaltung (O) auf einen niedrigen Wert gehalten wird, der für die Ermittlung geeignet ist, wenn die Amplitude der Schwingschaltung (O) groß ist, und die Verstärkung der Schwingschaltung (O) steigt, wenn die Amplitude der Schwingschaltung (O) auf weniger als einen vorbestimmten Pegel wegen der Annäherung eines Objekts an die Detektorspule (L₁) absinkt, so daß der Schwingungsbeginn schnell einsetzt, wenn der Gegenstand sich entfernt. Hierdurch wird die Ansprechgeschwindigkeit groß. Der Hauptunterschied zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Offenbarungsgehalt der DE 30 16 821 besteht darin, daß bei der Vorrichtung nach der DE 30 16 821 die Schleifenverstärkung bei Annäherung des Objekts an die Detektorspule (L₁) zunimmt, die Schwingungsamplitude der Schwingschaltung (O) Null wird, um die Schwingung abzubrechen. Wenn die Schwingung abbricht, obgleich die Schleifenverstärkung zunimmt, ergibt sich somit eine Zeitverzögerung, bis die Schwingung anwächst.

Die DE 33 20 509 und DE 36 06 586 offenbaren, daß die Schwingungsamplitude auf einem konstanten Wert gehalten wird, um das Abbrechen der Schwingung zu verhindern, wenn die Schwingungsamplitude auf einen vorbestimmten Wert des zu ermittelnden Objekts abgesenkt wird.

Die DE 36 06 586 entspricht der JP-OS 35 610/86. Gemäß dieser bricht die Schwingung nicht ab, sondern wird mit niedrigem Pegel aufrechterhalten, wenn ein zu ermittelnder Gegenstand sich der Detektorspule annähert. Der niedrige Pegel, mit dem die Schwingung trotz Annäherung des Gegenstands aufrechterhalten wird, muß jedoch exakt bestimmt sein, sie darf sich aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur nicht ändern. Dies ist jedoch nur sehr schwierig zu erreichen, so daß diese Lösung für den praktischen Einsatz bei einem Annäherungsschalter, der in rauhen Umgebungsbedingungen installiert ist, nicht in Frage kommt.

Dementsprechend ist die Aufgabe der Erfindung, einen Annäherungsschalter anzugeben, der eine hohe Ansprechgeschwindigkeit aufweist, so daß die Annäherung eines zu ermittelnden Objekts, das sich schnell bewegt, mit Sicherheit ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Annäherungsschalter enthält eine HF-Schwingschaltung mit einer Detektorspule zur Ermittlung der Annäherung eines Objekts, eine Gleichrichterschaltung, die den Ausgang der HF-Schwingschaltung gleichrichtet und glättet, einen Rückkoppelungskreis, der den Ausgang der Gleichrichterschaltung einer Stromrückkoppelung zur HF-Schwingschaltung unterwirft, und einen Ausgangskreis, der den vom Rückkoppelungskreis rückgekoppelten Anteil aufnimmt und ein Signal erzeugt, wenn der rückgekoppelte Anteil einen vorbestimmten Wert überschritten hat, um die Annäherung eines Objektes in Form von diesem Signal zu ermitteln.

Der Ausgang der HF-Schwingschaltung wird von der Gleichrichterschaltung in ein Gleichstromsignal umgewandelt, das der HF-Schwingschaltung rückgekoppelt wird, um den Ausgang der HF-Schwingschaltung konstant zu halten. Die Annäherung des Gegenstandes wird auf der Grundlage der Rückkoppelungsgröße ermittelt. Aus diesem Grunde ist die Ansprechgeschwindigkeit des Annäherungsschalters auf die Annäherung eines Gegenstandes hoch.

Ein Signal, das einer Änderung der Schwingspannung der HF- Schwingschaltung entspricht, wird durch die Gleichrichterschaltung gleichgerichtet und dann der HF- Schwingschaltung über den Rückkoppelungskreis rückgekoppelt, so daß die Schwingspannung selbst dann nicht abfällt, wenn der Gegenstand sich der Schwingspule annähert. Aus diesem Grunde hört die HF-Schwingschaltung nicht zu Schwingen auf.

Das Ausgangssignal des Annäherungsschalters kann unter Verwendung eines Komparators erzeugt werden, um die durch den Rückkoppelungskreis rückgekoppelte Größe zu ermitteln.

Obgleich die Schwingspannung der HF-Schwingschaltung von 0 Volt ausgehend anzuwachsen beginnt, wenn dem Näherungsschalter elektrischer Strom zugeführt wird, ist die Zeitdauer für das Anwachsen der Schwingschaltung sehr abgekürzt, weil der Umfang der Rückkoppelung zum Zeitpunkt der Zuführung elektrischen Stroms zum Schalter groß ist. Aus diesem Grunde ist die Ansprechgeschwindigkeit des Annäherungsschalters hoch. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines bekannten Annäherungsschalters,

Fig. 2 das Schaltbild eines Annäherungsschalters mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Schwingschaltung mit Stromrückkoppelung für einen solchen Annäherungsschalter. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist ein Kondensator 2 einer Detektorspule 1 parallel geschaltet, die im vorderen Abschnitt des Annäherungsschalters angeordnet ist, so daß ein Resonanzkreis 3 gebildet wird. Ein elektrischer Strom wird der Resonanzschaltung 3 durch eine Stromquelle 5 über eine Konstantstromschaltung 4 zugeführt. Ein Anschluß der Stromquelle 5 ist mit einem Transistor 6 verbunden, der eine Stromverstärkung durchführt. Der Emitter des Transistors 6 ist über einen variablen Widerstand 7 geerdet, der dazu dient, die Amplitude des Kollektorstromes des Transistors zu bestimmen. Eine Stromspiegelschaltung 12 mit Transistoren 10 und 11, die mit Emitterwiderständen 8 und 9 verbunden sind, ist mit dem Kollektor des Transistors 6 verbunden. Die Amplitude eines elektrischen Stroms, den man von der Resonanzschaltung 3 erhält, wird von dem Transistor 6 einer Stromverstärkung unterworfen. Die Amplitude eines elektrischen Stromes, die die gleiche wie jene des Kollektorstromes des Transistors 6 ist, wird einer Stromrückkoppelung zur Resonanzschaltung 3 über einen Transistor 11 durch die Stromspiegelschaltung 12 unterworfen. Da auf diese Weise eine positive Stromrückkoppelung ausgeführt wird, schwingt die Resonanzschaltung 3 mit der Resonanzfrequenz. In Fig. 1 ist ein Glättungskondensator 13 zur Beeinflussung des Stroms dargestellt, der der Resonanzschaltung 3 zugeführt wird. Die Beendigungsgeschwindigkeit der Schwingung der Resonanzschaltung kann geändert werden, indem man die Form der Detektorspule 1, die Anzahl der Windungen derselben oder die anderen Konstanten der Schaltung ändert. Wenn ein zu ermittelnder Gegenstand sich dem Annäherungsschalter annähert, dann steigt die Konduktanz der Detektorspule 1, so daß die Schwingschaltung schließlich zu schwingen aufhört. Wenn sich der Gegenstand von dem Annäherungsschalter wieder entfernt, setzt die Schwingung wieder ein. Die Summe aus der Geschwindigkeit, mit der die Schwingung der Schwingschaltung aufhört, und der Geschwindigkeit, mit der die Schwingung sich wieder aufbaut, ist die Ansprechgeschwindigkeit des Annäherungsschalters.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein Annäherungsschalter ist, wird nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert, die ein Schaltbild eines Annäherungsschalters darstellt. Der Annäherungsschalter enthält eine HF-Schwingschaltung 14, eine Rückkoppelungsschaltung 15, eine Gleichrichterschaltung 16 und eine Ausgangsschaltung 17.

In der HF-Schwingschaltung 14 ist ein Resonanzkreis 3 enthalten, der aus einer Detektorspule 1 und einem Kondensator 2 besteht. Über Pegelschiebedioden 23 und 24 wird ein elektrischer Strom von einer Stromspiegelschaltung 22 zugeführt, die aus Widerständen 18 und 19 und Transistoren 20 und 21 besteht.

Die Rückkoppelungsschaltung 15 wirkt derart, daß der Ausgang der Schwingschaltung 14 einer Stromverstärkung unterworfen und dann über die Gleichrichterschaltung 16 zur Schwingschaltung rückgekoppelt wird. Die Rückkoppelungsschaltung 15 enthält einen Transistor 25, dessen Basis mit dem Verbindungspunkt des Transistors 21 mit der Pegelschiebediode 23 verbunden ist, einen Emitterwiderstand 26, der mit dem Emitter des Transistors 25 verbunden ist, eine Stromspiegelschaltung 30 aus einem Widerstand 27 und Transistoren 28 und 29, eine Serienschaltung aus einem Widerstand 32 und einem Transistor 31, die den Emitterwiderstand 26 parallel geschaltet ist und einen Operationsverstärker 33, dessen Ausgangsanschluß mit der Basis des Transistors 31 und dessen Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung 16 verbunden sind. Ein elektrischer Strom wird von einer Steuerstromquelle Vcc durch die Stromspiegelschaltung 30 der Rückkoppelungsschaltung 15 zugeführt. Eine Schaltung aus dem Emitterwiderstand 26, dem Transistor 31 und dem Widerstand 32 dient dazu, die Größe des Kollektorstromes des Transistors 25 zu bestimmen. Der Kollektorstrom des Transistor 25 wirkt derart, daß ein elektrischer Strom der gleichen Amplitude wie der des Kollektorstroms zum Resonanzkreis 3 rückgekoppelt wird. Mit anderen Worten, die Schwingspannung des Resonanzkreises 3 ändert sich in Abhängigkeit vom Widerstand Rf der aus dem Emitterwiderstand 26, dem Transistor 31 und dem Widerstand 32 bestehenden Schaltung. Die Schwingspannung ist niedrig, wenn der Widerstand Rf groß ist. Die Schwingspannung ist groß, wenn der Widerstand Rf klein ist. Der Widerstand Rf ändert sich in Abhängigkeit davon, ob der Transistor 32 durch den Ausgang des Operationsverstärkers 33 leitfähig gemacht ist, oder nicht.

Die Gleichrichterschaltung 16 wirkt derart, daß die Spannung über dem Emitterwiderstand 26 einer verstärkenden Gleichrichtung und einer Glättung unterworfen wird. Die Gleichrichterschaltung 16 enthält einen Transistor 35, der mit dem Emitter des Transistors 25 über einen Widerstand 34 verbunden ist, Transistoren 36, 37, 38 und 39, Widerstände 40, 41 und 42 sowie einem Kondensator 43. Die verstärkende Gleichrichtung wird durch die Transistoren 35, 36, 37, 38 und 39 und die Widerstände 40, 41 und 42 durchgeführt. Die Glättung erfolgt durch den Kondensator 43.

Die Ausgangsschaltung 17 besteht aus einem Komparator 44, von dem ein Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 33 verbunden ist. Der Ausgangsanschluß des Komparators 44 ist der Ausgang des Annäherungsschalters.

Wenn die Schwingschaltung 14 schwingt, dann wird ihr Ausgang durch die Transistoren 25 und 35 verstärkt, von der Gleichrichterschaltung 16 gleichgerichtet, vom Kondensator 43 geglättet und dem Transistor 31 über den Operationsverstärker 33 zugeführt. Da die an den Transistor 31 auf diese Weise angelegte Spannung niedrig ist, ist der Transistor nicht immer eingeschaltet, so daß die Schwingschaltung stabil schwingt. Da die Eingangsspannung am Komparator 44 niedrig ist, erzeugt die Ausgangsschaltung 17 kein Signal.

Wenn sich ein zu ermittelnder Gegenstand der Detektorspule 1 annähert, dann fällt die Schwingspannung der Oszillatorschaltung 14 ab. Zu diesem Zeitpunkt fällt auch die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 16, die Spannung über dem Kondensator 43 fällt und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 steigt an, so daß der Transistor 31 eingeschaltet wird. Als Folge davon wird der Widerstand 32 dem Widerstand 26 parallel geschaltet, so daß der Gesamtwiderstand Rf abnimmt. Aus diesem Grund steigt der Schwingungsausgang von der Oszillatorschaltung 14 an, so daß die Spannung über dem Kondensator 43 annähernd konstant gehalten wird. Da die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 bereits hoch geworden ist, wird die Ausgangsspannung dem Komparator 44 zugeführt, so daß ein Signal, das für die Ermittlung des Gegenstandes kennzeichnend ist, von der Ausgangsschaltung 17 erhalten wird und als das Ausgangssignal des Annäherungsschalters verwendet wird.

Claims

1. Annäherungsschalter, enthaltend:
eine HF-Schwingungseinrichtung (14) mit einer Detektorspule (1) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das die Annäherung eines Gegenstandes anzeigt,
eine Gleichrichtereinrichtung (16) zum Gleichrichten und Glätten des Ausgangssignals der HF-Schwingungseinrichtung (14) zur Erzeugung eines Ausgangssignals,
eine Rückkopplungseinrichtung (15), die das Ausgangssignal von der Gleichrichtereinrichtung (16) einer Stromrückkopplung zur HF-Schwingungseinrichtung (14) unterwirft, um die Schwingungsamplitude der Schwingungseinrichtung (14) ohne Rücksicht auf die Annäherung/Entfernung des Gegenstandes konstant zu halten, und
eine Ausgangseinrichtung (17), die ein Signal erzeugt, wenn der Umfang der Rückkopplung durch die Rückkopplungseinrichtung (15) eine vorbestimmte Größe überschritten hat, wobei das von der Ausgangseinrichtung (17) erzeugte Signal die Annäherung des Gegenstandes repräsentiert.

2. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Schwingungseinrichtung (14) eine Resonanzeinrichtung (3) enthält, die aus der Detektorspule (1) und einem Kondensator (2) besteht.

3. Annäherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichtereinrichtung (16) eine Gleichrichterschaltung zur Gleichrichtung des Ausgangssignals von der HF-Schwingungseinrichtung (14) sowie einen Kondensator (43) zur Glättung des Ausgangssignals von der Gleichrichterschaltung enthält.

4. Annäherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkoppelungseinrichtung (15) eine Schaltung mit einem Widerstand (Rf) aufweist, die einen Transistor (31) und eine Widerstandseinrichtung (26, 32) enthält, wobei eine Verminderung des Widerstandes (Rf) im Sinne einer Vergrößerung der Schwingspannung der Resonanzein richtung (3) wirkt, und umgekehrt.

5. Annäherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkoppelungseinrichtung (15) weiterhin einen Operationsverstärker (33) enthält, dessen Ausgangsanschluß mit dem Basisanschluß des Transistors (31) verbunden ist, und dessen einer Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß der Gleichrichtereinrichtung (16) verbunden ist, wobei der Transistor (31) leitfähig ist, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (33) höher als die vorbestimmte Größe ist.

6. Annäherungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung (17) einen Komparator (44) enthält, dessen einer Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (33) verbunden ist und dessen Ausgangsanschluß das für die Ermittlung des Gegenstandes kennzeichnende Signal als das Ausgangssignal des Annäherungsschalters erzeugt, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (33) größer als die genannte vorbestimmte Größe ist.