WO2003003581A1 - Kapazitiver näherungsschalter mit zwei sensorelektroden - Google Patents

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WO2003003581A1
WO2003003581A1 PCT/EP2002/004321 EP0204321W WO03003581A1 WO 2003003581 A1 WO2003003581 A1 WO 2003003581A1 EP 0204321 W EP0204321 W EP 0204321W WO 03003581 A1 WO03003581 A1 WO 03003581A1
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electrode
sensor
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Luer Luetkens
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Luer Luetkens
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/088—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices operating with electric fields
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/955—Proximity switches using a capacitive detector
    • H—ELECTRICITY
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    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960755—Constructional details of capacitive touch and proximity switches
    • H03K2217/960765—Details of shielding arrangements

Definitions

  • the invention relates to a capacitive proximity switch with two sensor electrodes each shielded from ground by a shielding electrode, the sensor electrodes being connected to the input of an amplifier and the shielding electrodes being connected to the output of the amplifier, and to an evaluation circuit for the differential signal of the two sensor electrodes, the at least controls an electrical switch, for example a transistor, a thyristor or a relay.
  • Such a proximity switch is known for example from DE 42 38 992 AI.
  • the two sensor electrodes of the known proximity switch are constructed identically. An approaching object changes the capacitance of the sensor electrodes evenly or differently depending on the direction of movement, as a result of which the proximity switch can work in a directionally selective manner.
  • the provision of two sensor electrodes also has the advantage over the provision of only one electrode that interference capacities can have a less pronounced effect than when evaluating the absolute change in capacitance of only one sensor electrode.
  • the known proximity switches are all not sufficiently reliable to be able to use them on robots in a production line, for example. For safety reasons, robots are therefore surrounded by protective grids, which ensure that there is no danger to people working in the production process.
  • the protective grids require a lot of space because they have to enclose the entire possible movement space of the respective robot, even if the robot takes up much less space during the production process when properly operated. For personal protection, it would be sufficient for the robot to stop safely as soon as a person gets too close. However, this requires proximity switches with an extremely high level of functional reliability and are not susceptible to faults.
  • the present invention proposes a capacitive proximity switch of the type mentioned at the outset, which is characterized according to the invention in that the two sensor electrodes are arranged in such a way that one of the two sensor electrodes protrudes outwards from the other. If a person or an electrically conductive object approaches the proximity switch, the capacitance of the two sensor electrodes changes. The sensor electrode that protrudes further results in a higher capacitance than the sensor electrode that protrudes less far. The distance between the approximated bodies can be concluded from the difference between the two signals. If a certain threshold value of the differential signal is exceeded, the at least one electrical switch is actuated and, for example, a robot is deactivated.
  • the sensor electrodes can be supplied with an alternating voltage in a manner known per se. If the sensor electrodes are part of an oscillating circuit, the approach of an electrically conductive object can be detected by changing the frequency or breaking off the oscillation. Alternatively, the evaluation circuit can also evaluate the change in amplitude of the sensor signals when an object approaches.
  • a monitoring electrode can be provided at a distance from one of the sensor electrodes, preferably the protruding further outward, which is connected via a switch to a DC voltage source, the switch being a square-wave signal, preferably with a significantly lower frequency than that Frequency of the AC voltage applied to the sensor electrodes. In principle, however, the frequency could also be equal to or greater than the AC voltage frequency. As long as the monitoring electrode is not connected to a potential, it represents only a very small capacitance compared to the sensor electrode, since it follows its potential fluctuations.
  • the evaluation circuit then has to ensure that this special amplitude-modulated signal from the sensor electrode is reliably recognized and controls the at least one electrical switch accordingly.
  • blind sensors can be used to detect interference signals with a frequency which nigen of the square wave signal on the monitoring electrode corresponds to be provided.
  • the evaluation circuit can have a device for inverting every second half-wave of the differential signal of the sensor electrodes, the output signal of which controls the electrical switch.
  • the output signal of the inverting device thus has either a positive or a negative sign, depending on whether the voltage at the sensor electrode which protrudes further or at the electrode which is set further back is greater. This allows conclusions to be drawn about the distance and the direction of movement of the detected object.
  • an electrode is brought into the vicinity of the desired approach position in a suitable manner, and is subjected to a voltage of the same frequency and phase as the AC voltage at the two sensor electrodes.
  • the proximity switch approaches this electrode, the voltage at the sensor electrodes will not decrease, but will remain constant or increase. The switch is not operated.
  • the evaluation circuit can have a series resonant circuit with a resonance frequency corresponding to the frequency of the rectangular pulse signal and a further switch. Only when the switch is closed does the proximity switch react to capacitive changes in its environment as intended. This largely eliminates interference.
  • Fig. 1 is a circuit diagram of an inventive
  • Fig. 2 shows a central cross section along the
  • FIG. 3 shows a top view of the proximity switch from FIG. 2.
  • FIG. 1 shows two sensor electrodes 101 and 201, each of which is shielded from ground by shielding electrodes 102 and 202.
  • the sensor electrodes 101 and 201 are connected to the inputs of amplifiers 104 and 204.
  • the shield electrodes 102 and 202 are connected to the output of the same amplifiers 104 and 204.
  • the shielding electrodes 102 and 202 participate in all potential fluctuations of the sensor electrodes 101 and 201 and thus do not themselves act as capacitance with respect to the sensor electrodes 101 and 201.
  • the electrodes 101 and 201 are acted upon by an alternating voltage U 0 with the frequency f 0 via high impedances 103 ,
  • the amplifiers 104 and 204 are non-inverting and preferably have a gain factor of slightly more than 1. For the removal of the capacitance of the sensor electrodes 101 and 201 to ground, a gain factor of 1 would be correct. However, since additional capacities are inevitably given, for example by the wiring to ground, the amplification is expediently chosen to be so high that it too Capacities do not affect the measurement.
  • the signals from the sensor electrodes 101 and 201 are also fed to a further amplifier 105.
  • the outputs of the amplifiers 104 and 204 are connected to the inputs of the amplifier 105, but the sensor electrodes 101 and 201 could also be connected directly to the inputs of the amplifier 105.
  • the voltage is at the electrode 101
  • X 3 is the impedance 103
  • X e is the impedance of the electrode 101 against the object or person to be recognized.
  • U 2 decreases.
  • the provision of two sensor electrodes 101, 201 serves to reduce the sensitivity to interference.
  • the areas of the electrodes 101 and 201 can preferably be of the same size.
  • U 2 is not evaluated directly, but rather the difference signal between the two sensor electrodes 101 and 201.
  • one of the sensor electrodes is part of a resonant circuit. In the present case, however, an oscillating circuit is dispensed with.
  • a monitoring electrode 106 is arranged in front of the sensor electrode 101. The area of the electrode 106 and its distance from the sensor electrode 101 is selected in accordance with the maximum permissible approach of a body.
  • the monitoring electrode 106 is connected to a DC voltage source Uj via a switch 107.
  • the switch 107 forms a square-wave pulse signal of the frequency f from the direct voltage U t which is much lower than the frequency f 0 of the voltage U 0 with which the two Sensor electrodes 101 and 201 are fed.
  • a capacitance acts between the electrodes 101 and 106 during the rectangular pulses.
  • the voltage U 2 at the sensor electrode 101 takes the form of a signal of the carrier frequency f 0 that is amplitude-modulated with f l .
  • the sensor electrode 101 projects outward from the sensor electrode 201, as is shown, for example, in the embodiment of FIGS. 2 and 3. If a body now approaches the arrangement, the body has a larger capacitance than the electrode 101 due to the smaller distance. The voltage U 2 at the sensor electrode 101 will therefore decrease more than the voltage at the electrode 201.
  • the difference between the signals at the electrodes 101 and 201 is amplified by the amplifier 105. This is followed by a device 20 which inverts every other half-wave of the output signal of the amplifier 105. This creates a signal at the output of the device 20, either positive or negative sign.
  • the polarity indicates whether the voltage at the electrode 101 or at 201 is greater. This makes it possible to prevent the proximity switch from responding even when a desired object approaches.
  • an electrode is attached in a geometrically suitable manner to the body to be approached as desired or in the vicinity thereof, to which a voltage of the same frequency f 0 and the same phase as the sensor electrodes 101 and 201 is applied.
  • the rectified signal at the output of the device 20 is used to switch a relay 80, the coil of which is connected to a potential U 3 , which is selected such that the relay 80 is only activated when the voltage at the sensor electrode 101 does not drop too much and thus the voltage at the output of the device 20 has not increased too much, which would indicate a body approaching too closely.
  • a rectifier 70 is also provided in the evaluation circuit 100, which is required when the output voltage of the device 20 rises above the potential U 3 , as a result of which the relay 80 would switch again even if an object were extremely approached.
  • a further relay 60 with a normally open contact is controlled via a further rectifier 30, a capacitor 40 and a coil 50.
  • the capacitance 40 and the coil 50 form a series resonant circuit with the resonance frequency f x . If the contact of relay 60 is closed, this means that the sensor reacts as intended to a capacitive change in its environment.
  • a further capacitor 90 is also provided, which has the effect that the inductance of the relay coil does not become part of the resonant circuit.
  • the capacitance 40 ensures that a faulty DC voltage level is not misinterpreted as a signal due to a failure of the elements 105 or 20.
  • the rectifier 30 is required if the relay 60 itself cannot be operated with an alternating current of frequency f j . However, if the relay can be operated at the frequency f j , its inductance can form part of the resonant circuit.
  • the elements 30, 50 and 90 could then be omitted.
  • FIG. 3 shows, the entire proximity switch is constructed cylindrically.
  • the sensor electrode 101 has a disc shape
  • the sensor electrode 201 has a ring shape.
  • Both electrodes 101 and 201 are embedded in shielding electrodes 102 and 202.
  • the electrode 101 projects further outwards than the electrode 201.
  • the monitoring electrode 106 is arranged in front of the sensor electrode 101 and is feniform.
  • the switch 107 can also be seen, which supplies the monitoring electrode 106 with a rectangular pulse signal.
  • the structure of the proximity switch shown is only an example. Other geometric solutions are also conceivable here.

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Abstract

Ein kapazitiver Näherungsschalter mit zwei Sensorelektroden (101, 201), deren Differenzsignal auf eine Änderung der Kapazität der Elektroden (101, 201) durch einen sich nähernden Körper ausgewertet wird, wobei eine der Sensorelektroden (101) gegenüber der anderen Sensorelektrode (201) nach außen vorsteht. Der Schalter weist außerdem eine Überwachungselektrode auf, die der weiter nach außen vorstehenden Sensorelktrode zugeordnet ist.

Description

KAPAZITIVER NAHERUNGSSCHALTER MIT ZWEI SENSORELEKTRODEN
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Näherungsschalter mit zwei jeweils durch eine Abschirmelektrode gegen Masse abgeschirmten Sensorelektroden, wobei die Sensorelektroden jeweils mit dem Eingang eines Verstärkers und die Abschirmelektroden mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden sind, und mit einer Auswerteschaltung für das Differenzsignal der beiden Sensorelektroden, die mindestens einen elektrischen Schalter, beispielsweise einen Transistor, einen Thyristor oder ein Relais ansteuert .
Ein solcher Näherungsschalter ist beispielsweise aus der DE 42 38 992 AI bekannt. Die beiden Sensorelektroden des -bekannten Näherungsschalters sind identisch aufgebaut. Ein sich nähernder Gegenstand verändert die Kapazität der Sensorelektroden je nach Bewegungsrichtung gleichmäßig oder unterschiedlich, wodurch der Näherungsschalter richtungsselektiv arbeiten kann. Das Vorsehen von zwei Sensorelektroden hat gegenüber dem Vorsehen nur einer Elektrode außerdem den Vorteil, dass sich Störkapazitäten weniger stark auswirken können als bei der Auswertung der absoluten Kapazitätsänderung nur einer Sensorelektrode . Die bekannten Näherungsschalter sind jedoch alle nicht ausreichend betriebssicher, um sie beispielsweise auch an Robotern in einer Produktionslinie einsetzen zu können. Aus Sicherheitsgründen werden deswegen Roboter von Schutzgittern umgeben, die dafür sorgen, dass es zu keinen Gefährdungen von im Produktionsprozess arbeitenden Menschen kommen kann. Die Schutzgitter benötigen jedoch sehr viel Raum, da sie den gesamten möglichen Bewegungsraum des jeweiligen Roboters umschließen müssen, auch wenn der Roboter während des Produktionsprozesses bei ordnungsgemäßem Betrieb sehr viel weniger Platz beansprucht. Für den Personenschutz wäre es dabei ausreichend, dass der Roboter sicher anhält, sobald ihm eine Person zu nahe kommt. Dafür sind jedoch Näherungsschalter mit einer ausgesprochen hohen Funktionssicherheit und Störunanfäl- ligkeit erforderlich.
Zur Erfüllung dieser Anforderungen schlägt die vorliegende Erfindung einen kapazitiven Näherungsschalter der eingangs genannten Art vor, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden Sensorelektroden derart angeordnet sind, dass eine der beiden Sensorelektroden gegenüber der anderen nach außen vorsteht . Nähert sich eine Person oder ein elektrisch leitfähiger Gegenstand dem Näherungsschalter, so ändert sich die Kapazität der beiden Sensorelektroden. Bei derjenigen Sensorelektrode, die weiter vorsteht, ergibt sich dabei eine höhere Kapazität als bei der weniger weit vorstehenden Sensorelektrode. Durch die Differenz der beiden Signale kann auf die Entfernung des angenäherten Körpers geschlossen werden. Bei einem Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes des Differenzsignals wird der mindestens eine elektrische Schalter betätigt und dadurch beispielsweise ein Roboter außer Tätigkeit gesetzt. Die Sensorelektroden können dabei in an sich bekannter Weise mit einer WechselSpannung beaufschlagt sein. Sind die Sensorelektroden Teil eines Schwingkreises, so kann die Annäherung eines elektrischen leitenden Gegenstandes dadurch detektiert werden, dass sich die Frequenz ändert oder die Schwingung abreißt. Alternativ dazu kann die Auswerteschaltung jedoch auch die Amplitudenänderung der Sensorsignale bei Annäherung eines Gegenstandes auswerten.
Zur sicheren Überprüfung der Funktion kann eine mit Abstand zu einer der Sensorelektroden, vorzugsweise der weiter nach außen vorstehenden, angeordnete Überwachungselektrode vorgesehen sein, die über einen Schalter mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, wobei der Schalter ein Rechtecksignal, vorzugsweise mit einer deutlich niedrigeren Frequenz als die Frequenz der an den Sensorelektroden anliegenden WechselSpannung erzeugt. Die Frequenz könnte prinzipiell aber auch gleich oder größer als die Wechselspannungsfrequenz sein. Solange die Überwachungselektrode nicht mit einem Potential verbunden ist, stellt sie nur eine sehr kleine Kapazität gegenüber der Sensorelektrode dar, da sie deren Potentialschwankungen folgt. Liegen jedoch an der Überwachungselektrode Rechteckimpulse beispielsweise mit einer im Vergleich zur Frequenz der an den Sensorelektroden anliegenden WechselSpannung niedrigen Frequenz an, so hat die an der zugehörigen Steuerelektrode gemessene Spannung die Form eines mit der Frequenz des Rechteckimpulssignals amplitudenmodulierten Signals mit der Trägerfrequenz der WechselSpannung an der Sensorelektrode. Die Auswerteschaltung hat dann dafür zu sorgen, dass dieses spezielle amplitudenmodulierte Signal der Sensorelektrode sicher erkannt wird und den mindestens einen elektrischen Schalter entsprechend ansteuert. Um ausschließen zu können, dass Störsignale mit derselben Frequenz wie das Rechteckimpulssignal an der Überwachungselektrode die Messung stören, können Blindsensoren zur Erkennung von Störsignalen mit einer Frequenz, die derje- nigen des Rechtecksignals an der Überwachungselektrode entspricht, vorgesehen sein.
Die Auswerteschaltung kann eine Vorrichtung zur Invertierung jeder zweiten Halbwelle des Differenzsignals der Sensorelektroden aufweisen, dessen Ausgangssignal den elektrischen Schalter ansteuert. Das Ausgangssignal der Invertiervorrichtung weist also entweder ein positives oder ein negatives Vorzeichen auf, je nachdem, ob die Spannung an der weiter hervorstehenden Sensorelektrode oder an der weiter zurückgesetzten Elektrode größer ist. Damit lässt sich auf den Abstand und die Bewegungsrichtung des detektierten Gegenstandes schließen. Zudem besteht die Möglichkeit, zu verhindern, dass beispielsweise ein Fertigungsroboter anhält, auch wenn er sich erwünscht an einen Gegenstand, beispielsweise an ein zu ergreifendes Werkstück annähert . Hierzu wird in geeigneter Weise in die Nähe der erwünschten Annäherungsposition eine Elektrode gebracht, die mit einer Spannung dergleichen Frequenz und Phase wie die WechselSpannung an den beiden Sensorelektroden beaufschlagt wird. Dadurch wird bei Annäherung des Näherungs- schalters an diese Elektrode die Spannung an den Sensorelektroden nicht sinken, sondern konstant bleiben oder steigen. Der Schalter wird nicht betätigt.
Die Auswerteschaltung kann am Ausgang der Invertiervorrichtung einen Serienschwingkreis mit einer der Frequenz des Rechteckimpulssignals entsprechenden Resonanzfrequenz und einen weiteren Schalter aufweisen. Nur wenn der Schalter geschlossen ist, reagiert der Näherungsschalter auf kapazitive Änderungen in seiner Umgebung wie vorgesehen. Störeinflüsse lassen sich dadurch weitgehend ausschalten.
Es können alternativ auch andere Verfahren benutzt werden, um das Rechtecksignal herauszufiltern. Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters anhand der Zeichnung näher erläutert .
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltskizze eines erfindungsgemäßen
Näherungsschalters ;
Fig. 2 einen zentralen Querschnitt entlang der
Linie II-II durch ein Ausführungsbeispiel eines Näherungsschalters gemäß Fig. 3 ;
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Näherungsschalter aus Fig. 2.
Fig. 1 zeigt zwei Sensorelektroden 101 und 201, die jeweils von Abschirmelektroden 102 und 202 gegen Masse abgeschirmt sind. Dazu sind die Sensorelektroden 101 und 201 mit den Eingängen von Verstärkern 104 und 204 verbunden. Die Abschirmelektroden 102 und 202 sind mit dem Ausgang derselben Verstärker 104 und 204 verbunden. Dadurch machen die Abschirmelektroden 102 und 202 alle Potentialschwankungen der Sensorelektroden 101 und 201 mit und wirken somit selbst nicht als Kapazität gegenüber den Sensorelektroden 101 und 201. Die Elektroden 101 und 201 werden über hohe Impedanzen 103 mit einer WechselSpannung U0 mit der Frequenz f0 beaufschlagt.
Die Verstärker 104 und 204 sind nicht invertierend und haben einen Verstärkungsfaktor von vorzugsweise etwas mehr als 1. Für die Beseitigung der Kapazität der Sensorelektroden 101 und 201 gegen Masse würde ein Verstärkungsfaktor von 1 richtig sein. Da aber zwangsläufig weitere Kapazitäten beispielsweise durch die Verdrahtung gegenüber Masse gegeben sind, wird die Verstärkung zweckmäßigerweise so hoch gewählt, dass auch diese Kapazitäten sich auf die Messung nicht auswirken.
Die Signale der Sensorelektroden 101 und 201 werden außerdem auf einen weiteren Verstärker 105 gegeben. Im vorliegenden Fall sind die Ausgänge der Verstärker 104 und 204 mit den Eingängen des Verstärkers 105 verbunden, doch könnten die Sensorelektroden 101 und 201 auch direkt mit den Eingängen des Verstärkers 105 verbunden werden.
An der Elektrode 101 liegt die Spannung
Figure imgf000008_0001
wenn X3 die Impedanz 103, Xe die Impedanz der Elektrode 101 gegen den zu erkennenden Gegenstand oder die Person bedeutet . Wenn sich ein Körper dem Sensor nähert, nimmt Xe ab, sodass U2 sinkt .
Das Vorsehen zweier Sensorelektroden 101, 201 dient der Herabsetzung der Stδrempfindlichkeit . Die Flächen der Elektroden 101 und 201 können vorzugsweise gleich groß sein. Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung wird nicht direkt U2 ausgewertet, sondern das Differenzsignal zwischen den beiden Sensorelektroden 101 und 201. Üblicherweise ist eine der Sensorelektroden Teil eines Schwingkreises. Im vorliegenden Fall wird jedoch auf einen Schwingkreis verzichtet. Hier ist vor der Sensorelektrode 101 eine Überwachungselektrode 106 angeordnet. Die Fläche der Elektrode 106 und ihre Entfernung zur Sensorelektrode 101 wird entsprechend der maximal zulässigen Annäherung eines Körpers gewählt. Die Überwachungselektrode 106 ist über einen Schalter 107 mit einer Gleichspannungsquelle Uj verbunden. Der Schalter 107 bildet aus der Gleichspannung Ut ein Rechteckimpulssignal der Frequenz f die sehr viel kleiner ist, als die Frequenz f0 der Spannung U0, mit der die beiden Sensorelektroden 101 und 201 gespeist werden. Während der Rechteckimpulse wirkt zwischen den Elektroden 101 und 106 eine Kapazität. Dies führt dazu, dass die Spannung U2 an der Sensorelektrode 101 die Form eines mit fl amplitudenmodulierten Signals der Trägerfrequenz f0 aufweist.
Die Sensorelektrode 101 steht gegenüber der Sensorelektrode 201 nach außen vor, wie beispielsweise in der Ausführungsform der Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Nähert sich nun ein Körper der Anordnung, so hat der Körper gegenüber der Elektrode 101 eine größere Kapazität aufgrund des geringeren Abstandes. Die Spannung U2 an der Sensorelektrode 101 wird also stärker sinken als die Spannung an der Elektrode 201. Die Differenz der Signale an den Elektroden 101 und 201 wird durch den Verstärker 105 verstärkt. Anschließend folgt eine Vorrichtung 20, die jede zweite Halbwelle des AusgangsSignals des Verstärkers 105 invertiert. Dadurch entsteht am Ausgang der Vorrichtung 20 ein Signal entweder positiven oder negativen Vorzeichens. Die Polarität gibt Aufschluss darüber, ob die Spannung an der Elektrode 101 oder an 201 größer ist. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, zu verhindern, dass der Näherungsschalter anspricht, auch wenn sich ein erwünschter Gegenstand annähert. Dazu wird in geometrisch geeigneter Weise an den gewünschtermaßen anzunähernden Körper oder in seiner Nähe eine Elektrode angebracht, die mit einer Spannung der gleichen Frequenz f0 und der gleichen Phase wie die Sensorelektroden 101 und 201 beaufschlagt wird. Dadurch ändert sich bei Annäherung des Sensors an diese Elektrode die Spannung an der Sensorelektrode 101 nicht. Es wird also auch keine Annäherung an einen Gegenstand detektiert. Mittels des gleichgerichteten Signals am Ausgang der Vorrichtung 20 wird ein Relais 80 geschaltet, dessen Spule mit einem Potential U3 verbunden ist, das derart gewählt wird, dass das Relais 80 nur dann aktiviert ist, wenn die Spannung an der Sensorelektrode 101 nicht zu stark abgefallen und damit die Spannung am Ausgang der Vorrichtung 20 nicht zu stark angestiegen ist, was auf eine zu große Annäherung eines Körpers hinweisen würde. In der Auswerteschaltung 100 ist außerdem ein Gleichrichter 70 vorgesehen, der dann erforderlich ist, wenn die AusgangsSpannung der Vorrichtung 20 über das Potential U3 ansteigt, wodurch das Relais 80 auch bei extremer Annäherung eines Körpers wieder schalten würde.
Über einen weiteren Gleichrichter 30, einen Kondensator 40 und eine Spule 50 wird ein weiteres Relais 60 mit Arbeitskontakt angesteuert. Die Kapazität 40 und die Spule 50 bilden einen Serienschwingkreis mit der Resonanzfrequenz fx . Ist der Kontakt des Relais 60 geschlossen, bedeutet das, dass der Sensor auf eine kapazitive Änderung in seiner Umgebung wie vorgesehen reagiert. Es ist außerdem ein weiterer Kondensator 90 vorgesehen, der bewirkt, dass die Induktivität der Relaisspule nicht Bestandteil des Schwingkreises wird. Die Kapazität 40 sorgt dafür, dass nicht durch einen Ausfall der Elemente 105 oder 20 ein fehlerhafter Gleichspannungspegel als ein Signal missinterpretiert wird. Der Gleichrichter 30 ist erforderlich, falls das Relais 60 selbst nicht mit einem Wechselstrom der Frequenz fj betrieben werden kann. Ist das Relais jedoch mit der Frequenz fj betreibbar, so kann seine Induktivität einen Teil des Schwingkreises bilden. Die Elemente 30, 50 und 90 könnten dann entfallen.
Zur zuverlässigen Überwachung der Annäherung einer Person an beispielsweise einen Roboter, müssten an diesem mehrere Näherungsschalter gemäß der Erfindung angeordnet sein, um eine allzeitige Überwachung zu erlauben.
Die Fig. 2 und 3 zeigen nun ein mögliches konstruktives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters gemäß der Schaltskizze aus Fig. 1. Wie Fig. 3 zeigt, ist der gesamte Näherungsschalter zylindrisch aufgebaut. Die Sensor- elektrode 101 hat Scheibenform, die Sensorelektrode 201 Ringform. Beide Elektroden 101 und 201 sind eingebettet in Abschirmelektroden 102 und 202. Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, steht dabei die Elektrode 101 weiter nach außen vor als die Elektrode 201. Vor der Sensorelektrode 101 ist die Überwachungselektrode 106 angeordnet, die hier strei- fenförmig ausgebildet ist. Auch der Schalter 107 ist zu erkennen, der die Überwachungselektrode 106 mit einem Rechteckimpulssignal versorgt.
Der dargestellte Aufbau des Näherungsschalters ist lediglich beispielhaft. Es sind auch hier andere geometrische Lösungen denkbar .

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Kapazitiver Näherungsschalter mit zwei, jeweils durch eine Abschirmelektrode (102, 202) gegen Masse abgeschirmten Sensorelektroden (101, 201), wobei die Sensorelektroden (101, 201) jeweils mit dem Eingang eines Verstärkers (104, 105) und die Abschirmelektroden (102, 202) mit dem Ausgang des Verstärkers (104, 105) verbunden sind, und mit einer Auswerteschaltung (100) für das Differenzsignal der beiden Sensorelektroden (101, 201) , die mindestens einen elektrischen Schalter (80) , beispielsweise einen Transistor, einen Thyristor oder ein Relais ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensorelektroden (101, 102) derart angeordnet sind, dass eine der beiden Sensorelektroden (101, 102) gegenüber der anderen nach außen vorsteht .
2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden (101, 201) mit einer Wechselspannung (U0) beaufschlagt sind.
3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärker (104, 105) zur Elimination von Stδrkapazitäten einen Verstärkungsfaktor von größer als 1 aufweisen.
4. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (100) die Amplitudenänderung der Sensorsignale bei Annäherung eines Gegenstandes auswertet .
5. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Abstand zu einer der Sensorelektroden (101, 201), vorzugsweise der weiter nach außen vorstehenden (101) angeordnete Überwachungselektrode (106) vorgesehen ist, die über einen Schalter (107) mit einer Gleichspannungsquelle (Uj) verbunden ist, wobei der Schalter (107) ein Rechtecksignal mit einer sehr viel niedrigeren Frequenz (fx) erzeugt, die vorzugsweise deutlich niedriger ist als die Frequenz (f0) der an den Sensorelektroden (101, 201) anliegenden WechselSpannung (U0) .
6. Näherungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Überwachungselektrode (106) zu der Sensorelektrode (101, 201) und die Fläche der Überwachungselektrode (106) entsprechend dem Mindestabstand, den ein Gegenstand zum durch den Näherungsschalter überwachten Objekt einhalten muss, gewählt ist.
7. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Blindsensoren zur Erkennung von Störsignalen mit einer Frequenz (fj) , die derjenigen des Rechtecksignals an der Überwachungselektrode (106) entspricht, vorgesehen sind.
8. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (100) eine Vorrichtung (20) zur Invertierung jeder zweiten Halbwelle des Differenzsignals der Sensorelektroden (101, 201) aufweist, dessen Ausgangssignal den elektrischen Schalter (80) ansteuert.
9. Näherungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang der Invertiervorrichtung (20) ein Serienschwingkreis (40, 50) mit einer der Frequenz (fj) des Rechteckimpulssignals entsprechenden Resonanzfrequenz und ein weiterer Schalter (60) angeordnet ist.
10. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Körper, dessen Annäherung nicht sensiert werden soll, oder in seiner Nähe eine Elektrode angeordnet ist, die mit der gleichen Wechsel- Spannung (U0) beaufschlagt ist, wie die Sensorelektroden (101, 201) .
DM/F
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