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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Mikrowellen-Näherungsschalter zum Abfühlen, ob sich ein Gegenstand, der eine
Dämpfung in einem Streumagnetfeld aus einem Schaltungssystem
mit einer Mikrowellenband-Oszillatorschaltung verursacht, in
dessen Nähe befindet oder nicht.
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Herkömmlicherweise wurden verschiedene Arten von
Näherungsschaltern gewählt, die jedoch mit folgenden Nachteilen
verbunden sind.
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Bei einem Hochfrequenz-Näherungsschalter ist der
Fühlabstand, in dem der Schalter wirksam ist, klein, nämlich
höchstens der halbe Durchmesser einer im Schalter
verwendeten Abfühlspule (beispielsweise beträgt für eine Spule mit
einem Durchmesser von 12 Millimeter, mm, der Abfühlabstand
zwei Millimeter). Folglich kann, wenn der Schalter eine
Abfühlspule mit kleinem Durchmesser enthält, der Fall
eintreten, daß ein wahrzunehmender Gegenstand mit einem Sensorkopf
kollidiert.
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Bei einem Ultraschalter-Näherungsschalter macht es der
Nachhall einer mechanischen Schwingung eines
Ultraschallschwingers desselben schwierig, einen Gegenstand
wahrzunehmen, der in einem Bereich von höchstens 5 Zentimeter, cm
(bis zehn Zentimeter) von der Nähe des Sensors vorliegt. Bei
Produktionsstätten, wie Fabriken oder Firmen, können
Ultraschallwellen, die beispielsweise durch den Zusammenstoß
eines Werkstücks erzeugt werden, ebenfalls eine Fehlfunktion
bewirken.
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Bei einem photoelektrischen Schalter ist es wegen der
Lichteigenschaften schwierig, Reflexionslicht von
Gegenständen, wie etwa transparenten Gegenständen wie Glas, und
Gegenständen mit einer mattschwarzen Oberfläche wahrzunehmen.
Ein solcher Gegenstand läßt sich nicht einfach wahrnehmen.
Ferner ändern sich, abhängig vom Verschmutzungsgrad einer
Linse des Sensors, Schmutz oder Öl darauf usw.,
Eigenschaften des Sensors, wie etwa ein Wahrnehmungsabstand.
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Beim bekannten Mikrowellen-Näherungsschalter ergibt
sich eine Schwierigkeit, wenn ein stationärer Gegenstand
wahrzunehmen ist, da der Wahrnehmungsvorgang auf der
Grundlage des Doppler-Effekts (eines Differenzialausgabetyps)
durchgeführt wird. Ferner ist für Sensoren, deren
elektrische Feldstärke wenigstens 3,5 f (uV/m) beträgt, wobei die
Frequenz in Gigahertz GHz ist und der Wert in einem Abstand
von drei Metern von den Sensoren gewonnen wird, für jeden
Sensor entsprechend dem Fernmeldegesetz eine Zulassung
erforderlich.
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Aus US-A-4 215 341 ist ein Eindring- oder
Bewegungsdetektor bekannt, der als Sender arbeitet und Änderungen
einer Signalamplitude nachweist, die durch Änderungen der
Antennenbelastung verursacht sind.
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Patent Abstracts of Japan von JP-A-56 168 405
beschreibt einen Mikrowellen-Oszillator, der einen
Mikrostreifenleiter verwendet.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Mikrowellen-
Näherungsschalter zu schaffen, der kontinuierlich einen
Gegenstand in einem verhältnismäßig kurzen Abstand im
Bereich beginnend von einem Abstand 0 mm wahrnehmen kann, der
schmutz- und staubfest ist und der auch einen stationären
Gegenstand nachweisen kann.
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Ein Mikrowellen-Näherungsschalter gemäß der Erfindung
ist im Patentanspruch 1 definiert.
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Die Änderung des Schwingungszustands der Mikrowellen-
Oszillatorschaltung schließt eine Änderung der
Schwingungsfrequenz und eine Änderung eines Schwingungsausgangssignals
der Mikrowellen-Oszillatorschaltung ein.
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Der Mikrostreifenleiter kann jede auf eine Mikrowellen-
Oszillatorschaltung anwendbare Übertragungsleitung sein,
welche die Erzeugung eines Streumagnetfelds bewirkt,
beispielsweise kann eine Schlitzleitung oder eine
Übertragungsleitung in Spiralform vorgesehen werden.
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Bei dem Mikrowellen-Näherungsschalter erscheint, wenn
eine Dämpfung des Streumagnetfelds aus dem
Mikrostreifenleiter infolge eines sich dem Schalter nähernden
wahrzunehmenden Objekts (beispielsweise ein Wirbelstromverlust oder ein
Skin-Effektverlust im Falle eines Metalls) verursacht wird,
eine Impedanzänderung der Mikrostreifenleitung, welche zu
einer Änderung der Schwingungsfrequenz oder des
Ausgangssignals der Schwingungsschaltung führt. Eine Annäherung
eines Gegenstands kann nämlich durch Abfühlen der Änderung
der Schwingungsfrequenz und/oder des Ausgangssignals
festgestellt werden. Da das Streumagnetfeld aus dem
Mikrostreifenleiter oder dem dielektrischen Resonator exponentiell mit
zunehmendem Abstand zwischen dem Schalter und dem Gegenstand
abnimmt bzw. sich abschwächt, ist die Intensität des
Streumagnetfelds ausreichend auf einen sehr niedrigen
Strahlungspegel abgeschwächt, wenn der Abstand etwa mehrere Male die
Mikrowellenfrequenz (d.h. ungefähr mehrere zehn Zentimeter)
beträgt. Dies hat zur Folge, daß, was die Verwendung des
Sensors anbelangt, der Schalter jenseits des nach den
Fernmeldegesetzen beschränkten Bereichs liegt. Folglich kann der
Schalter bequemer vom Benutzer gehandhabt werden.
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Ferner findet die Dämpfung des Streumagnetfelds aus dem
Mikrostreifenleiter oder dem dielektrischen Resonator auch
dann statt, wenn der Gegenstand sich in einem
verhältnismäßig stationären Zustand befindet, was folglich den
Schalter befähigt, einen stationären Gegenstand wahrzunehmen. Es
wird also ein breiterer Anwendungsbereich für den Sensor
erreicht.
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Natürlich geht mit dem Schalter keine Totzone einher,
wie dies bei einem Ultraschall-Schalter der Fall ist,
weshalb er auf einen Abfühlvorgang in einem Bereich, beginnend
mit dem Abstand 0 mm, anwendbar ist. Ferner ist dank der
Mikrowellenneigenschaften der Schalter gegen Stäube und
Schmutz widerstandsfähig. Verglichen mit dem Hochfrequenz-
Näherungschalter kann der Abfühlabstand mit dem
erfindungsgemäßen Schalter verlängert werden.
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Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende
Beschreibung und beigefügten Zeichnungen deutlich, auf welchen
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Fig. 1 ein Blockschaltbild ist, welches einen
elektrischen Aufbau eines Mikrowellen-Näherungsschalters zeigt,
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Fig. 2 ein Diagramm ist, welches schematisch eine
Colpitts-Schwingungsschaltung als ein Beispiel der
Mikrowellenband-Schwingungsschaltung in einer ersten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
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Fig. 3 ein schematisches Diagramm ist, welches einen
mit einem Kondensator abgeschlossenen Mikrostreifenleiter
zeigt, der als Induktor obiger Schwingungsschaltung
vorgesehen wird,
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Fig. 4 ein Graph ist, welcher eine Änderung der
Schwingungsfrequenz der Schwingungsschaltung in Bezug auf den
Abstand zu einem wahrzunehmenden Gegenstand zeigt,
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Fig. 5 eine perspektivische Ansicht ist, welche den
Aufbau eines Mikrostreifenleiters und eines
Streumagnetfeldes zeigt,
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Fig. 6 eine Schnittansicht des Mikrostreifenleiters
ist,
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Fig. 7 und 8 schematische Diagramme sind, welche ein
weiteres Beispiel der Mikrowellen-Übertragungsleitung
zeigen, wobei Fig. 7 eine perspektivische Ansicht und Fig. 8
eine nur den Streifenleiter enthaltende Draufsicht ist.
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Fig. 9 ein schematisches Schaltungsdiagramm ist,
welches ein Beispiel einer Schwingungsschaltung zeigt,
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Fig. 10 ein Schaltungsdiagramm ist, welches schematisch
ein Beispiel einer Mikrowellenband-Schwingungsschaltung in
einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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Fig. 11 eine perspektivische Ansicht ist, welche einen
Zustand zeigt, in welchem ein Mikrostreifenleiter mit einem
dielektrischen Resonator gekoppelt ist, und
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Fig. 12 ein Diagramm ist, welches schematisch ein
Ersatzschaltbild des Aufbaus der Fig. 11 zeigt.
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Unter Bezugnahme nun auf die Zeichnungen erfolgt die
Beschreibung einer Ausführungsform des
Mikrowellen-Näherungsschalters gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, welches den Aufbau
eines Mikrowellen-Näherungsschalters zeigt.
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Der Mikrowellen-Näherungsschalter enthält eine
Schwingungsschaltung 2, die eine Schwingung mit einer Frequenz
(Wellenlänge) in einem Mikrowellenband ausführt, eine
Sensorschaltung 3 zum Abfühlen einer Änderung des
Schwingungszustandes (einer Änderung der Schwingungsfrequenz oder
Ausgabe) der Schwingungsschaltung 2, wenn ein wahrzunehmender
Gegenstand 1 sich dem Bereich der Schwingungsschaltung 2
nähert, und eine Ausgangsschaltung 4 zum Umwandeln eines
durch die Sensorschaltung 3 abgefühlten Signals in ein
Ausgangssignal mit bestimmtem Format.
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Fig. 2 zeigt eine Colpitts-Schwingungsschaltung als ein
Beispiel der Mikrowellenband-Schwingungsschaltung 2. Die
Colpitts-Schwingungsschaltung ist eine bekannte
Schwingungsschaltung mit einer einen Induktor L und Kondensatoren C&sub1;
und C&sub2; enthaltenden Resonanzschaltung als
Rückkopplungsschaltung. Als Induktor der Colpitts-Schwingungsschaltung ist,
wie in Fig. 3 gezeigt, ein Schaltungsaufbau verwendet
worden, bei welchem ein Mikrostreifenleiter 10 mit einem
Kondensator C abgeschlossen wird. Fig. 9 zeigt ein Beispiel
einer den obigen Aufbau und einen Feldeffekt-Transistor,
FET, 5 enthaltenden Schwingungsschaltung.
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Fig. 5 zeigt ein Beispiel des Aufbaus des
Mikrostreifenleiters, während Fig. 6 eine Querschnittsansicht
desselben ist. Auf einer Oberfläche eines dielektrischen Substrats
12 ist ein dünner Metallfilm 11 ausgebildet. Auf einer
weiteren
Oberfläche desselben ist ein Streifenleiter 13
angeordnet. Bei diesem Aufbau breitet sich eine Mikrowelle durch
das dielektrische Substrat 12 aus und erzeugt ein
Streumagnetfeld, wie es mit strichpunktierten Linien in Fig. 5
angegeben ist.
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Bei dem Mikrostreifenleiter dieses Typs wird, wenn
seine Länge höchstens λg/4 (λg ist eine Wellenlänge der
Mikrowelle im dielektrischen Material) ist, die Reaktanz des
Leiters induktiv und kann daher als Induktor verwendet
werden. Beispielsweise ist es unter den Bedingungen von λg/4 =
10 mm und einer Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen
Substanz von εr = 10, da λg = λo/ εr, möglich, eine
Mikrowelle mit einer Frequenz fo = 3 GHz ausbreiten zu lassen.
Folglich kann die Größe des Sensorkopfes erheblich minimiert
werden.
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In einem Fall, wo der wahrzunehmende Gegenstand 1 in
der Nachbarschaft des vom Mikrostreifenleiter 10 erzeugten
Streumagnetfelds gefunden wird, erfolgt eine Dämpfung in dem
Magnetfeld, weshalb sich der Schwingungszustand in der
Schwingungsschaltung 2 ändert. Beispielsweise ändert sich
die Schwingungsfrequenz der Schwingungsschaltung 2, wie im
Graphen der Fig. 4 gezeigt, in Zuordnung zum Abstand
zwischen dem Mikrostreifenleiter 10 und dem Gegenstand 1.
Folglich kann in der Sensorschaltung 3 durch Erzielung einer
Frequenzdiskrimination auf den wahrgenommenen Frequenzen,
abhängig von einem geeigneten Schwellenwert ft, ein das
Erscheinen des Gegenstands 1 bezeichnendes Wahrnehmungssignal
erreicht werden.
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Hinsichtlich des Mikrostreifenleiters 10 ist es
möglich, wie aus den Fig. 7 und 8 ersichtlich, einen
Spiralleiter in einer Kreis- oder Rechteckform zu verwenden.
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Fig. 10 zeigt ein weiteres Beispiel des Aufbaus der
Mikrowellenband-Schwingungsschaltung 2. Dieser Aufbau
enthält einen FET 5 und eine Resonanzschaltung, welche einen
Mikrostreifenleiter 10 als ihren Induktor aufweist. Die dem
FET 5 zugeordnete Schaltung ist über den Mikrostreifenleiter
10 mit einem dielektrischen Mikroresonator 20 induktiv
gekoppelt. Der Mikrostreifenleiter 10 ist mit dem oben
beschriebenen identisch.
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Fig. 11 zeigt einen Kopplungszustand, der zwischen dem
Mikrostreifenleiter 10 und einem dielektrischen
Mikroresonator 20 hergestellt ist, während Fig. 12 ein Ersatzschaltbild
des Aufbaus der Fig. 11 zeigt. Wie oben beschrieben, breitet
sich die Mikrowelle durch das dielektrische Substrat 12 aus
und erzeugt ein Streumagnetfeld, wie es mit
strichpunktierten Linien angegeben ist. Das Streumagnetfeld aus dem
Mikrostreifenleiter 10 ist mit dem dielektrischen Resonator 20
gekoppelt, so daß vom dielektrischen Resonator 20 ein
Streumagnetfeld in Verbindung mit einer Resonanz im transversalen
elektrischen Resonanzmodus, TE-Modus, erzeugt wird. Wenn ein
wahrzunehmender Gegenstand 1 sich in der Nähe des vom
dielektrischen Resonator 20 erzeugten Streumagnetfelds
befindet, tritt eine Dämpfung im Magnetfeld auf, welche zu einer
Anderung im Schwingungszustand der Schwingungsschaltung 2
führt. Beispielsweise ändert sich die Schwingungsfrequenz
der Schwingungsschaltung 2, wie im Graphen der Fig. 4
gezeigt, abhängig vom Abstand zwischen dem dielektrischen
Resonator 20 und dem Gegenstand 1. Folglich kann in der
Sensorschaltung 3 durch Durchführen einer
Frequenzdiskrimination auf den gewonnenen Frequenzen, abhängig von einem
geeigneten Schwellenwert ft, ein Wahrnehmungssignal gewonnen
werden, welches das Vorliegen des Gegenstands 1 bezeichnet.
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Hinsichtlich des Mikrostreifenleiters 10 ist es, wie
oben beschrieben, möglich, eine Spiralleitung in Kreis- oder
Rechteckform zu verwenden. Ferner können der dielektrische
Resonator zylindrischer Form und der Mikrostreifenleiter in
einer beliebigen Anordnung zusammengestellt sein, wenn eine
induktive Kopplung zwischen diesen im transversalen
elektrischen
Resonanzmodus erzeugt wird.
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Bei obiger Ausführungsform ist es, obwohl der
Gegenstand abhängig von einer Anderung der Schwingungsfrequenz
der Schwingungsschaltung 2 festgestellt wird, hinsichtlich
des Gegenstandsnachweises in einem vereinfachten Aufbau auch
möglich, daß die Schwingungsschaltung mit einer negativen
Konduktanz ausgelegt wird, die so klein wie möglich
eingestellt wird, so daß eine Unterbrechung der Schwingung
wahrgenommen wird. Im einzelnen heißt dies, daß, wenn ein
wahrzunehmender Gegenstand in einen bestimmten Bereich des
Sensors eintritt, die Schwingungsschaltung ihre Schwingung
unterbricht. Dies ändert den Stromverbrauch in der
Schwingungsschaltung erheblich. Durch Abfühlen der Stromänderung
ist es nämlich möglich, das Ereignis, daß sich der
Gegenstand dem Sensor nähert, wahrzunehmen.
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Ferner kann der Schalter so aufgebaut sein, daß eine
Impedanzänderung des mit einem Kondensator abgeschlossenen
Mikrostreifenleiters mit einer Brückenschaltung gefühlt
wird.
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In obiger Beschreibung kann, obwohl die
Colpitts-Schaltung als ein Beispiel der Schwingungsschaltung verwendet
wird, eine Hartley-Schaltung mit zwei Induktoren, eine drei
Induktoren verwendende Schaltung, eine Clapp-Schaltung und
ihre Abwandlungen und jede LC-Schwingungsschaltung, die für
die Mikrowellenband-Schwingung geeignet ist, verwendet
werden. Kurz gesagt, kann der Schalter verwirklicht werden,
wenn die Länge des Induktors λg/4 ist und der
Mikrostreifenleiter mit einem Kondensator geeigneter Kapazität
abgeschlossen ist.
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Spezielle Ausführungsformen der Erfindung wurden
dargestellt und beschrieben, es liegt aber für den Fachmann auf
der Hand, daß verschiedene Anderungen und Abwandlungen
vorgenommen werden können, ohne die Erfindung, wie beansprucht,
zu verlassen.