DE2402721C3

DE2402721C3 - Kapazitiver Näherungsdetektor

Info

Publication number: DE2402721C3
Application number: DE2402721A
Authority: DE
Inventors: Shoichi Mitani; Hatuya Katsuta Nakamura; Takeo Yuminaka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-01-22
Filing date: 1974-01-21
Publication date: 1983-11-10
Also published as: AU6473374A; HK41277A; DE2402721B2; DE2402721A1; CA1024629A; AU468702B2; JPS4997279A; US4030037A; JPS5623536B2; GB1462394A

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Näherungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der zu erfassende, sich nähernde Körper kann z. B. ein Mensch, ein Tier oder ein beliebiger Gegenstand sein.

Bei einem bekannten kapazitiven Näherungsdetektor der eingangs genannten Art (vgl. DE-OS 15 48 169) zum berührungslosen Feststellen eines sich nähernden Körpers speist ein Oszillator über eine Primärwicklung eines Transformators dessen Sekundärseite, die in zwei Wicklungen unterteilt ist. die zusammen mit einem Stell-Kondensator, einer Kapazität zwischen einer Fühl-Elektrode und einem Schirm sowie einer Kapazität zwischen dem Schirm und Erde eine Brücke bilden, die bei Näherung eines Körpers verstimmt wird und ein Ausgangssignal an einen zwei Eingänge aufweisenden Differenzverstärker abgibt, von dem ein Eingang unmittelbar mit der Fühl-Elektrode verbunden und der ferner mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter beschaltet ist Dieser bekannte kapazitive Näherungsdetektor ist nicht nur wegen des benetigten phasenempfindlichen Gleichrichters besonders aufwendig, sondern auch wegen des Transformators mit den zahlreichen Wicklungen, da diese eine Ausführung des Näherungsdetektors als integrierte Schaltung und damit eine gedrängte Bauweise ausschließen.

Es ist ferner ein kapazitiver Näherungsdetektor bekanntgeworden (vgl. DE-OS 14 48 358), bei dem eine Fühler-Elektrode mit dem hochohmigen Eingang des Verstärkers verbunden ist, während dessen Emitterbzw. Kathodenseite an eine Phase einer Speise-Wechselstromqueile angeschlossen ist, deren zweite Phase auf Erdpotential gelegt ist Je nach Abstand der Fühler-Elektrode vom Erdpotential ergibt das Wechselfeld eine mehr oder weniger große Aussteuerung des Verstärkers, der außerdem an einen Transistoroszillator angeschlossen ist, der die Amplitude des Wechsy Istroms ίο auf einen konstanten Wert haie. Hier ist besonders aufwendig, daß zw#i Wechselstromquellen vorgesehen sind, nämlich eine Speise-Wechselstromqueüe und ein davon getrennter Oszillator.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen einfach aufgebauten Näherungsdetektor zu schaffen, der insbesondere aufgrund einfacher Mittel eine Ansprechschwelle besitzt

Die Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gegeben.

Beim erfindungsgemäßen kapazitiven Näherungsdetektor kann durch den Anschluß des Oszillators über zwei verschiedene Impedanzbauelemente an den Differenzverstärker in einfacher Weise eine sichere Ansprechschwelle erreicht werden, die der Potentialdifferenz an den Differenzeingängen des Differenzverstärkers entspricht Mi". anderen Worten, als gültiges Erfassungssignal des Näherungsdetektors wird nur angesehen, wenn das Ausgangssignal des Differenzverstärkers sein Vorzeichen ändert gewissermaßen »umkippt«, d. h. eine irrtümliche Auslösung des Näherungsdetektors, z. B. durch Rauschen, Eindringen von vernachlässigbaren Körpern in den Wirkbereich des Fühlers. Änderungen der vom Fühler erfaßten Kapazitat mit der Temperatur wird verhindert

Der erfindungsgemäße kapazitive Näherungsdetektor benötigt kein spezielles Hochfrequenz-Ausgangssignal. Daher muß der Oszillator nicht unbedingt im Näherungsdetektor selbst eingebaut sein, sondern kann auch eine äußere Wechselstromquetle sein. Außerdem muß der Oszillator nicht von einer bestimmten Bauart sein, also weder eine Induktivität noch eine Kapazität enthalten, so daß er ohne weiteres als integrierte Schaltung vorliegen kann, wobei eine Zusammenschaltung von drei oder einer anderen ungeraden Anzahl von NICHT-Gliedern, z. B. zu einem Ring, besonders zweckmäßig ist

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen abgegeben, die sich vor allem mit einer zweckmäßigen Einstellbarkeit der Ansprechschwelle des Näherungsdetektors beschäftigen.

Der im übrigen noch bekanntgewordene Stand der Technik konnte die erfindungsgemäße Lehre nicht nahelegen:
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So ein Spannungskomparator (integrierte Analogschaltungen, Telekosmos-Verlag. Franckhsche Verlagshandlung, Stuttgart 1970. S. 75-77), dessen beide Eingänge über jeweils einen Widerstand von IO kn mit einer Eingangsspannung bzw. einer Bezugsspannung beaufschlagt sind;
ferner eine Kraftmeßeinrichtung (vgl. US-PS 36 62 595), die einen Oszillator mit einem Oszillatorschwingkreis aufweist, der eine Spule und einen dazu parallelgeschalteten Stell-Kondensator hat, von dem sine Elektrode ortsfest und die andere beweglich sowie mit einer trägen Masse verbunden ist. Der Ausgang des Oszillators ist mit einem

ersten bzw. über den Stell-Kondensator mit einem zweiten Eingang eines Operationsverstärkers verbunden;

weiter ein kapazitives Hygrometer (vgL DE-OS 21 01 591), dessen Feuchtefühler durch eine Kapazität in einem Zweig einer aufwendigen Brücke gebildet ist, die von einem Oszillator gespeist ist. wobei zwei Zweige der Brücke auch an die Anschlüsse eines Differenzverstärkers gelegt sind; schließlich spei't in einem Berührungsschalter (vgL GB-PS 1288925) ein Oszillator über einen Widerstand einen kapazitiven Fühler, der auch an einen Transistor angeschlossen ist, der Ausgangssignale nur eines Vorzeichens abgibt. Unabhängig davon werden auch Differenzverstärker verwendet, die jedoch mit jeweils zv,ei Fühlern zusammenwirken.

Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F ι g. ί das Schaltbild eines grundlegenden Ausführungsbeispieis.

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel gemäß F i g. I bei dem der Oszillator aus NICHT-Gliedern aufgebaut ist.

Fig.3 den Schwingungsverlauf am Ausgang des Oszillators des Ausführungsbeispiels von F i g. 2.

F i g. 4 eine graphische Darstellung des Ausgangssignales des Differenzverst:irkers. bezogen auf den Abstand zwischen dem plattenförmigen Fühler des Näherungsdetektors und einem Menschen.

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel mit einem Steller für die Spannungen, die jedem der Eingänge des Differenzverstärkers des Näherungsdetektors gemäß F i g. 1 zugeführt werden,

Fig.6 ein Ausführungsbeispiel mit einer Ausgestaltung des Spannungssteller von F i g. 5 und

F i g. 7 ein letztes Ausführungsbeispiel mit einer weiteren Ausgestaltung des Spannungssteller von Fig. 5.

Das Ausfüh ungsbeispiel von Fig. 1 ist versehen mit einem Oszillator 1. einem Differenzverstärker Z einem Detektorglied in Form eines plattenförmiger Fühlers 3 zum Erfassen eines sich nähernden Objekts, einer (elektrostatischen) Kapazität 4 zwischen dem Fühler 3 und dem Erdungspunkt 5. wobei die Kapazität 4 durch die Annäherang eines Körpers an de». Fühler 3 erzeugt wird, mit Impedanz-Bauelementen in Form von Widerständen 6 und 7. mit einem Ausgang 8 des Oszillators 1 und einem Ausgang 9 des Näherungsdetektors. Die Größe der bei Annäherung eines Körpers sich zwischen dem Fühler 3 und dem Erdungspunkt 5 ausbildender Kapazität 4 i„t abhängig von Art und Form des zu erfassenden Körpers und vom Abstand zwischen dem Fühler 3 und dem Körper. Wenn der Finger eines Menscnen einen metallischen Fühler mit einem Durchmesser von I cm berührt, hat die erzeugte (elektrostatische) Kapazität einen Wert von einigen pF bis zu einigen IO pF. Der ungedämpft schwingende Oszillator 1 ist mit dem Differenzverstärker 2 verbunden, und wenn sich ein Körper ihrem Verbindungspunkt nähert, geht der Abgleich (vgl. dazu auch weiter unten) des Differenzverstärkers verloren, und am Ausgang 9 wird ein gewünschtes Ausgangssignal erzeugt.

Grundsätzlich wird, wenn sich ein Körper, z. B. ein Mensch, dem Fühler 3 fiähert, zwischen diesem und dem Erdungspunkt 5 eine (-lektrostatische) Kapazität erzeugt, die durch eine Kapazität 4 zwischen dem Fühler 3 und dem Erdungspunkt 5 in der Zeichnung veranschaulicht ist Der bis dahin an den Eingängen des Differenzverstärkers 2 bestehende Abgleich geht verloren, und dadurch wird am Ausgang 9 ein

Ausgangssignal erzeugt

Unter Abgleich im hier erläuterten Sinn ist dabei zu verstehen, daß, um die Ansprechschwelle des Näherungsdetektors zu erzielen, die Eingänge des Differenzverstärkers nicht mit genau demselben Potential

ίο beaufschlagt werden, sondern der Eingang 14 des Differenzverstärkers 2 auf etwas höherem Potential als sein anderer Eingang 16 gehalten wird.

Wenn der Eingang 14 als negativer Eingang eines gewöhnlichen Differenzverstärkers benutzt wird, wird am Ausgang 9 ein positives Ausgangssignal erzeugt, und wenn der Eingang 14 als positiver Eingang benutzt wird, wird ein negatives Ausgangssignal erzeugt Angenommen, die Schaltung befindet sich im erstgenannten Zustand, so wird am Ausgang 9 ein positives

Ausgangssignal erzeugt.

Wenn sich ein Mensch oddgL nä'ien, wird die Kapazität 4 gebildet, und das Potential am Eingang 14 fällt auf einen durch den Widerstand 7 und die Kapazität 4 bestimmten Wert ab. Infolgedessen wird das Potential am Einpang 14 niedriger als das am anderen Eingang, und die Polarität des Ausgangs 9 wird ungekehrt wodurch die Ausgangskennlinie des Ausgangs 9 umgekehrt und somit die Nähe eines Menschens od. dgl. erfaßt wird.

Der Oszillator 1 dient dazu über die Widerstände 6 und 7 an den Differenzverstärker 2 ein Wechselstromsignal anzulegen, und kann durch eine Wechselstromversorgung ersetzt werden. Auch sollte in Anbetracht des sehr niedrigen Wertes der Kapazität 4 die Frequenz

J5 des Oszillators 1 so hoch w ie möglich sein.

Um eine gedrängte Bauweise und einen hohen Integrationsgrad zu erreichen, hat im Ausführungsbeispiel von F i g. 2 des Oszillators 1 NAND-Glieder JO, 11 und 12. die in Ringform miteinander verbunden sind.

Schwingungen treten dadurch auf. daß die Ausgangssignale .cdes der NAND-Glieder zeitverzögert gegenüber ihren Eingangssignalen auftreten. Jedes NAND-Glied wird als NICHT-Glied benutzt, und durch Verbinden von drei oder einer anderen ungeraden Anzahl von NICHT-Gliedern in Ringform wird ein ungedämpft schwingender Oszillator erhalten. Die bei dieser Ausführungsform verwendeten NICHT-GIieder bestehen aus NAND-Gliedern bipolarer integrierter Schaltungen, wobei jeweils einer ihrer Eingänge oder sämtliche Eingänge kurzgeschlossen sind; Die Schwingungsfrequenz der drei NAND-Glieder liegt bei etwa 25 MHz. Der Signalverlauf am Ausgang 8 des Oszilla'ors 1 ist in F i g. 3 dargestellt. Die Widerstände 6 und 7 haben im wesentlichen den gleichen Wert. Der hier verwendete t>^:fferenzverstärker 2 besteht aus integrierten Schaltkreisen. Der Ausgang des Oszillators 1 ist über die Widerstände 6 und 7 mit den Eingängen des Differenzverstärker* 2 verbunden. Wenn sich dem metallischen Fühler l» kein leitender Körper nähen, sind die Eingänge 14, 16 des Differenzverstärkers 2 bis auf die bereits erwähnte Potentialdifferenz zur Erzielung der Ansprechschwelle abgeglichen. Wehn sich ein leitender Körper, wie ein Mensch, dem mit dem Eingang 14 des Differenzverstärkers 2 verbundenen metallischen Fühler 3 nähert oder -ihn berührt, wird zwischen dem Fühler 3 und dem Erdungspunkt 5 die (elektrostatische) Kapazität 4 gebildet. Der Abgleichzustand im oben definierten Sinn der EincranErxsipnnlf» Hp« niffpri-n-rvpr.

stärkers 2 verschwindet, und die Differenz zwischen diesen Signalen wird verstärkt und erscheint am Ausgang 9. Die Differenz der Eingangssignale hat einen pulsierenden Verlauf ähnlich dem in Fig.3 dargestellten. Wenn der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 2 beispielsweise mit 80 dB oder mehr und seine Frequenz mit 1 MHz oder weniger gewählt ist, bewirkt eine geringe Differenz eine Sättigung des Differenzverstärkers 2, und dadurch wird ein Gleichstrom-Ausgangssignal am Ausgang 9 erzeugt. Je größer der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärker* 2 ist. desto deutlicher sind die Änderungen des Spannungspegels am Ausgang 9. Um eine noch größere Deutlichkeit zu erreichen, ist ein NICHT- oder NAND-Glied 13 mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 2 verbunden, und durch Ausnutzen des schnellen Ansprechens dieses Gliedes wird eine Änderung des Spannungspegels am Ausgang 15 im Endstadium zwischen »Ein«- und »Aus« Zeit in einigen JO ns erreicht Trotz der kurzen für die Änderung des Spannungspegels erforderlichen Zeit ist die Amplitude der Spannungspegeländerung am Ausgang 15 unveränderlich (F i g. 4). Das Diagramm von Fig.4 veranschaulicht eine Hysterese, die sich bei Betrieb des Näherungsdetektors entwickelt, wenn sich der zu erfassende Körper dem Fühler 3 nähert und sich von ihm entfernt.

Da das Ausgangssignal des Oszillators 1 über die Widerstände 6 und 7, die im wesentlichen den gleichen Wert haben, mit dem Eingang des Differenzverstärkers 2 verbunden ist, ist der Betrieb des Differenzverstärkers 2 sehr stabil gegenüber Änderungen der Speisespannung oder gegenüber Änderungen der Ausgangsschwingungen des Oszillators 1 aufgrund von Änderungen der Güte der Bauelemente und Änderungen von deren Kennlinien im Lauf der Zeit Beispielsweise arbeitet der Näherungsdetektor selbst bei Änderungen der Speisespannung von ±50%. bezogen auf ihren Nennwert, zufriedenstellend.

Die NAND-Glieder 10,11,12 und 13 in der Schaltung gemäß Fig.2 wirken als übliche NICHT-Glieder und können durchaus solche sein. Sie wirken wie NICHT-Glieder, wenn die Eingänge der NAND-Glieder zu einem einzigen Eingang kurzgeschlossen werden.

Die Einstellung der dem Differenzverstärker 2 unter

normalen Bedingungen zugeführten Eingangsspannungen wird unter Bezugnahme auf F i g. 5 — 7 erläutert. Die Eingänge des Differenzverstärkers 2 sind über die Widerstände 6 und 7 mit dem Ausgang des Oszillators 1 verbunden. Wenn der metallische Fühler 3 nicht von einem Menschen od. dgl. berührt wird bzw. sich ihm nicmcfid nähert, sind die Eingänge des Differenzverstärkers 2 bis auf die erwähnte Potentialdifferen;: zur Erzielung der Ansprechschwelle abgeglichen. Wenn eine Zuleitung zum Fühler 3 jedoch lang genug ist. bewirkt selbst unter dieser Bedingung eine zwischen der Zuleitung und dem Erdungspunkt erzeugte (elektrostatische) Kapazität, daß die Eingänge des Differerzverstärkers ihren Abgleichzustand erst einmal verlieren.

ts Ein beispielsweise angewandtes Verfahren zum W' ederherstellen des Abgleichs einschließlich der angestrebten Ansprechschwellen-Potentialdifferenz besteht darin, daß der metallische Fühler 3 mit dem Eingang 14 des

DiffAr^nvw^rcfisrL·«»!'* O VArhlinHpn u/irri u/ahrpnH H*»r

andere Eingang 16 mit einer einstellbaren Kapazität 20 verbunden wird, um einen gewünschten Abgleich zu erreichen (F ig. 5).

Bei der Ausführungsform von Fig.6 wire der Abgleich einschließlich der Einstellung der Ansprechschwellen-Potentialdifferenz zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers 2 einfach dadurch erhalten, daß eine Zuleitung 22 vorgesehen ist, deren Länge nach Bedarf g ändert wird.

F i g. 7 veranschaulicht eine weitere Möglichkeit zum Abgleich einschließlich der Einstellung der Ansprechschwellen-Potentialdifferenz; hierbei wird ein Stellwiderstand 24 zwischen die Widerstände 6 und 7 geschaltet, die mit den Eingängen des Differenzverstärkers 2 verbunden sind.

Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß das Potential am Eingang 14 des Differenzverstärkers 2 auf einem höheren Pegel als das Potential am Eingang 16 gehalten wird, und zwar durch Justieren des Stellers. Bei Annäherung eines Menschens od. dgl. an den Fühler 3 -to wird dann die Kapazität 4 erzeugt, und das elektrische Potential am Eingang 16 übersteigt dasjenige: am Eingang 14, wodurch die Polarität des Ausgangssignals a;n Ausgang 9 umgekehrt wird

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Näherungsdetektor zum berührungslosen Feststellen eines sich nähernden Körpers, mit einem zwei Eingänge aufweisenden Differenzverstärker, einem Oszillator, dessen Ausgang über je ein Impedanzbauelement an die Differenzeingänge des Differenzverstärkers gelegt ist, and mit einem Fühler, der mit einem der Differenzeingänge verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

— die Differenzeingänge .ohne sich nähernden Körper auf unterschiedlichem Potential liegen,

— sich die Polarität der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers (2) bei sich näherndem Körper ändert und

— die Betriebsfrequenz des Oszillators (1) groß ist gegen die des Differenzverstärkers (2).

2. Näherungsdetektor nach Anspruch f. dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (2) die Richtungsänderung der Spannungsdifferenz zwischen seinen Eingängen (14, 16) aufgrund der zwischen dem Fühler (3) und Erde gebildeten elektrostatischen Kapazität erfaßt.

3. Näherungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Söller (20, 22, 24) für die den Eingängen (14,16) des Differenzverstärkers (2) normalerweise zugeführten Spannungen.

4. Näherungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (20, 22, 24) einen Stellwiderstanu (24) hat

5. Näherungsdetekte- nach \nspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellwidc-stand (24) zwischen dem Ausgang des OsziK 'ors (1) und den Impedanzbauelementen (6,7) liegt