DE3910684C2 - Opto-elektrischer Näherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen opto-elektrischen Näherungs­ schalter mit mindestens einem lichtsensitivem Element und ei­ ner Auswerteschaltung für im lichtsensitivem Element erzeugte Signale, in der wenigstens zwei, bei unterschiedlichen Sig­ nalpegeln ansprechende Schwellwertstufen vorgesehen sind, de­ ren unterschiedliche Ansprechschwellen individuell einstell­ bar sind, wobei beim Überschreiten dieser Ansprechschwellen Ausgangssignale erzeugbar sind.

Bei einem derartigen, aus der US 4424458 bekannten Näherungs­ schalter ist ein als Leuchtdiode ausgebildetes lichtemittie­ rendes Element vorgesehen, das jedoch nicht zu Messzwecken dient, also nicht Bestandteil einer Lichtmessstrecke ist. Bei derartigen Näherungsschaltern tritt häufig das Problem auf, dass das lichtsensitive Element Lichtsignale aus fremden Lichtquellen erhält und daher unerwünschte und ungewollte Messsignale liefert. Bei diesen bekannten Näherungsschaltern tritt dieses Problem noch stärker auf, da dort nicht einmal ein dem lichtsensitivem Element zugeordnetes lichtemittieren­ des Element vorgesehen ist, um zusammen eine Lichtschranke zu bilden.

Bei einem aus der DE 33 27 328 A1 bekannten Näherungsschalter wird das lichtemittierende Element mittel eines Frequenzgene­ rators betrieben, jedoch sind keine Schaltmittel vorgesehen, durch die die Signale des lichtsensitiven Elements nur wäh­ rend des Betriebs des lichtemittierende Elements durchgelas­ sen werden. Es wird zwar ebenfalls angestrebt den Einfluss von fremden Signalen möglichst zu verhindern, jedoch erfolgt dies durch Mit- oder Gegenkupplung des Oszillators durch die empfangenen Signale des lichtsensitiven Elements, sodass der Oszillator bei Unterbrechung der Lichtschranke entweder zu Schwingungen angeregt wird oder seine Tätigkeit dämpft bezie­ hungsweise einstellt. Neben der aufwendigen Lösung können dort lediglich die Zustände des schwingenden und des nicht­ schwingenden Oszillators unterschieden werden. Unterschiedli­ che Annäherungsstufen können nicht detektiert werden.

Ein aus der DE 31 31 490 C2 bekannter Näherungsschalter be­ sitzt zwar ebenfalls Mittel zum Schutz gegen Störungen, je­ doch bewirken diese die Auslösung einer Schaltfunktion des Näherungsschalters nur dann, wenn eine Schaltnocke oder ein anderes zu überwachendes Maschinenelement in den Ansprechbe­ reich des Näherungsschalter gelangt ist. Das Problem von un­ erwünschten oder ungewollten Messsignalen durch fremde Licht­ quellen ist nicht angesprochen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, einen Nähe­ rungsschalter der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der weitgehend gegen Störungen durch fremde Lichtquellen ge­ schützt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

In vorteilhafter Weise ist ein Frequenzgenerator zur Erzeu­ gung eines gepulsten Betriebs des lichtemittierenden Elements vorgesehen, wobei synchron dazu die Signale des lichtsensiti­ ven Elements nur während des Betrieb des lichtemittierenden Elements durchgelassen werden. Es werden also nur solche Sig­ nale des lichtemittierenden Elements zur Auswerteschaltung durchgelassen, die gleichzeitig zu den Signalen der Signal­ folge des Frequenzgenerators erzeugt werden. Dazwischen auf­ tretende Störsignale werden dadurch automatisch ausgefiltert. Gleichzeitig können dadurch höhere Lichtintensitäten der ein­ zelnen Impulse erreicht werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im An­ spruch 1 angegebenen Näherungsschalters möglich.

Zur Einstellung der unterschiedlichen Signalpegel können ent­ weder die Schwellenwerte der Schwellenwertstufen selbst ver­ ändert werden oder aber die Einstellung der Signalpegel kann durch Veränderung der Verstärkungsfaktoren von Vorverstärkern oder durch Veränderung von Filtereigenschaften von Filtern erfolgen, sofern solche Bauteile zweckmäßigerweise den Schwellwertstufen vorgeschaltet ist.

Zweckmäßigerweise sind auch durch Ausgangssignale der Schwel­ lenwertstufen ein- und ausschaltbare optische Anzeigeelemente vorgesehen, damit der jeweilige Schaltzustand des Näherungs­ schalters sofort optisch erfasst werden kann.

Zur Messung kann das Gehäuse entweder eine Optik zur Erzeu­ gung eines im Wesentlichen parallelen Strahlenbündels aufwei­ sen, wobei dann das zu messende Objekt in der Strahlrichtung des Strahlenbündels bewegt wird. Durch die optische Bündelung kann der Messbereich vergrößert werden, d. h., schon relativ weit vom Gehäuse entfernte Messpositionen sind möglich.

Eine Optik im Gehäuse und/oder ein entsprechend ausgebildetes lichtemittierendes Element kann auch ein divergierendes Strahlenbündel erzeugen, wobei dann eine Annäherung eines zu messenden Objekts quer zum Strahlenbündel in der lateralen Richtung vorgesehen ist. Bei stark divergierenden Bündeln kann ebenfalls ein großer seitlicher Messbereich erreicht werden.

Das Gehäuse ist zweckmäßigerweise mit einer der Zahl der un­ terschiedlichen Signalpegel entsprechenden Anzahl von Ein­ stellgliedern versehen, die manuell oder mittels eines Werk­ zeugs von außen einstellbar sind. Diese Einstellglieder kön­ nen beispielsweise als Einstellschrauben ausgebildet sein, die auf ein Potentiometer einwirken. Auf diese Weise lassen sich schnell und einfach die verschiedenen Signal­ pegel bzw. Abstandspositionen am Gehäuse einstellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des elektrischen Teils des Näherungsschalters,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit parallem Strahlenbündel und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit divergierendem Strahlenbündel.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild ist ein Frequenzgenerator 10 mit einem als Leuchtdiode 11 ausge­ bildeten lichtemittierenden Element sowie mit dem Steuer­ eingang eines Halbleiterschalters 12 verbunden, dessen Schalt­ strecke zwischen ein lichtsensitives Element 13 und mehrere elektronische Filter 14, 15 geschaltet ist. Die Ausgänge der beiden Filter 14, 15 sind jeweils über Vorverstärker 16, 17 mit vorzugsweise als Schmitt-Trigger ausgebildeten Schwellwert­ stufen 18, 19 verbunden, deren Ausgänge über Schaltverstärker 20, 21 mit Ausgangsklemmen 22, 23 verbunden sind. Weiterhin wird jeweils ein optisches Anzeigeelement 24, 25 von den Aus­ gängen der beiden Schwellwertstufen 18, 19 gesteuert.

Die Wirkungsweise dieses in Fig. 1 als Blockschaltbild darge­ stellten opto-elektrischen Näherungsschalters besteht darin, daß die Leuchtdiode 11 im Rhythmus der Frequenz des Frequenz­ generators 10 gepulst betrieben wird, wobei das ausgesandte Licht nur dann zum lichtsensitiven Element 13 gelangen kann, wenn ein zu messendes Objekt 26 in den Strahlengang gelangt. Das emittierte Licht wird dann durch Reflexion und Streuung zum lichtsensitiven Element 13 zurückgeworfen und zwar in immer größerem Maße, je näher das Objekt 26 angenähert wird.

Dies wird im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 noch näher er­ läutert.

Durch denselben Frequenzgenerator 10 gesteuert wird der Halbleiterschalter 12 immer dann geschlossen, wenn gleichzeitig die Leuchtdiode 11 eingeschaltet ist. Dadurch wird ein even­ tuelles Ausgangssignal vom lichtsensitiven Element 13 nur dann durchgelassen, wenn zurückgeworfenes Licht von der Leuchtdiode 11 auftreffen könnte.

Das vom lichtsensitiven Element 13 abgegebene Ausgangssignal wird in den elektronischen Filtern 14, 15 gefiltert und in den Vorverstärkern 16, 17 verstärkt. Das so verstärkte Signal wird dann in den Schwellwertstufen 18, 19 mit einem Referenz­ wert von R1 und R2 verglichen, wobei die Schwellwertstufen 18, 19 nur dann ein Ausgangssignal abgeben, wenn der jeweilige Referenzwert R1 bzw. R2 überschritten ist. In diesem Falle wird an der jeweiligen Ausgangsklemme 22 bzw. 23 ein ent­ sprechendes Schaltsignal zur Verfügung gestellt und gleich­ zeitig zeigt das entsprechende optische Anzeigeelement 24 bzw. 25 an, daß der jeweilige Schwellwert überschritten worden ist.

Durch die Wahl verschiedener Referenzwerte R1 bzw. R2 können dadurch ab verschiedenen Signalpegeln vom licht­ sensitiven Element 13 entsprechende Schaltsignale an den Ausgangsklemmen 22 bzw. 23 zur Verfügung gestellt werden, so daß ein Auftreten eines solchen Schaltsignals die Unter­ schreitung einer bestimmten Entfernung durch das zu messende Objekt 26 wiedergibt.

Verschiedene Signalpegel können auch durch Veränderung des Verstärkungsfaktors der Vorverstärker 16, 17 eingestellt werden oder durch Veränderung der Filtereigenschaften der Filter 14, 15. Diese Maßnahmen können alternativ oder ergänzend getroffen werden, wobei zweckmäßigerweise in jedem Zweig nur ein manuell einstellbares Einstellglied, also z. B. ein Potentiometer vorgesehen sein sollte.

Die gestrichelte, mit einem Pfeil versehene Leitung deutet an, daß anstelle von zwei Schaltzweigen zur Erfassung zweier unterschiedlicher Signalpegel selbstverständlich noch weitere Schaltzweige zur Erkennung weiterer Signalpegel vorgesehen sein können. Hierdurch können mit einem einzigen Näherungs­ schalter mehrere verschiedene Entfernungspositionen bzw. Annäherungsstufen erkannt werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Näherungsschalter ein flaches, quaderförmiges Gehäuse 27 auf, in dem neben der in Fig. 1 dargestellten Schaltung noch eine Optik 28 zur Erzeugung eines parallelen Strahlen­ bündels für das emittierte Licht der Leuchtdiode 11 vorge­ sehen ist. Das zu messende Objekt 26 wird in der Strahl­ richtung des Strahlenbündels bewegt, wobei beispielsweise die rechts dargestellte Position des Objekts 26 die erste Meßposition und die weiter links gestrichelt dargestellte Position die zweite Meßposition darstellt, bei denen jeweils die verschiedenen Schwellwertstufen ansprechen. Das Licht des Strahlenbündels wird dabei direkt in der umgekehrten Richtung zurückreflektiert.

Das Gehäuse 27 weist oben zwei Einstellglieder 29, 30 auf, die beispielsweise mittels eines Schraubenziehers gedreht werden können, um über jeweils ein nicht dargestelltes Potentiometer die Schwellwerte der Schwellwertstufen 18, 19 oder die Verstärkungsfaktoren der Vorverstärker 16, 17 oder die Filtereigenschaften der Filter 14, 15 einstellen zu können.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein entsprechendes Gehäuse 27 für den Näherungsschalter verwendet, allerdings wird nunmehr ein divergierendes Strahlenbündel ausgesandt. Das zu messende Objekt 26 wird lateral von der Seite her, senkrecht zur mittleren Strahlrichtung in das divergierende Strahlenbündel eingeschoben, wobei immer mehr Licht zum lichtsensitiven Element 13 zurückgeworfen wird, je weiter dieses Objekt 26 eingeschoben wird. Die elektrische Auswertung ist dabei dieselbe. Bei großen Geschwindigkeits­ unterschieden zwischen einem schnellen Heranfahren des Objekts 26 und einer Weiterführung mit einer geringen Ge­ schwindigkeit ab der ersten Schaltposition kann sich das zweite Ausführungsbeispiel für laterale Annäherung als günstiger erweisen.

Nachzutragen ist noch, daß nicht nur ein einziges lichtemittierendes Element und ein einziges lichtsensitives Element sondern auch mehrere solche Elemente vorhanden sein können. Dies richtet sich nach dem Öffnungswinkel des Strahlenbündels.

Claims (11)

1. Opto-elektrischer Näherungsschalter mit mindestens einem lichtsensitiven Element und einer Auswerteschaltung für im lichtsensitiven Element erzeugte Signale, in der wenigstens zwei, bei unterschiedlichen Signalpegeln ansprechende Schwell­ wertstufen vorgesehen sind, deren unterschiedliche Ansprech­ schwellen individuell einstellbar sind, wobei beim Überschrei­ ten dieser Ansprechschwellen Ausgangssignale erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Näherungsschalter in einem Ge­ häuse (27) untergebracht ist, das noch wenigstens ein licht­ emittierendes Element (11) aufweist, dessen emittiertes, von einem zu messenden Objekt (26) zurückgeworfenes Licht als Meß­ signal vom lichtsensitiven Element (13) erfaßbar ist, und daß ein Frequenzgenerator (10) zur Erzeugung eines gepulsten Be­ triebs des lichtemittierenden Elements (11) vorgesehen ist, der mit synchron betätigbaren, die Signale des lichtsensitiven Ele­ ments (13) nur während des Betriebs des lichtemittierenden Ele­ ments (11) durchlassenden Schaltmitteln (12) verbunden ist.

2. Nährungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Signalpegel an den Schwellwertstufen (18, 19) Mittel (29, 30) zur Veränderung der Schwellwerte vor­ gesehen sind.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schwellwertstufen (18, 19) jeweils ein Filter (14, 15) und/oder ein Vorverstärker (16, 17) vorgeschaltet ist.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Signalpegel die Verstärkungsfaktoren der Vorverstärker (16, 17) einstellbar ausgebildet sind.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Signalpegel die Filtereigenschaften der Filter (14, 15) einstellbar ausgebildet sind.

6. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Schwellwertstufen (18, 19) Schaltverstärker (20, 21) nachgeschaltet sind.

7. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ausgangssignale der Schwellwertstufen (18, 19) ein- und ausschaltbare optische An­ zeigeelemente (24, 25) vorgesehen sind.

8. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Element (11) als Leuchtdiode ausgebildet ist.

9. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (27) eine Optik (28) zur Erzeugung eines im wesentlichen parallelen Strahlenbündels vor­ gesehen ist, wobei eine Annäherung eines zu messenden Objekts (26) in der Strahlrichtung vorgesehen ist.

10. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (27) eine Optik und/oder ein entsprechend ausgebildetes lichtemittierendes Element (11) zur Erzeugung eines divergierenden Strahlenbündels vorgesehen ist, wobei eine Annäherung eines zu messenden Objekts (26) quer zum Strahlenbündel vorgesehen ist.

11. Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (27) mit einer der Zahl der unterschiedlichen Signalpegel entsprechenden Anzahl von Einstellgliedern (29, 30) versehen ist, die manuell oder mit­ tels eines Werkzeugs von außen einstellbar sind.