JP2531650B2

JP2531650B2 - 非接触形近接スイツチ

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Publication number: JP2531650B2
Application number: JP61308929A
Authority: JP
Inventors: リンクバルター
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-12-28
Filing date: 1986-12-26
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: EP0228019B2; EP0228019A3; DE3546245C2; EP0228019B1; DE3546245A1; DE3546245C3; US4771359A; EP0228019A2; ATE51479T1; JPS62159913A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はサージ状もしくは階段状の波形動作を有する
発振器を備えた非接触形近接スイッチに関する。

〔従来の技術、および発明が解決しようとする問題点〕

電力消費量を減少するこの型式（DE−OS 3318900）の
周知の近接スイッチにおいては、発振回路のパルス状波
形動作は周期的衝撃波により実施されるもので、その相
互間の時間の距りは（高周波発振器により駆動される連
続発振回路に比較して）発振回路の発振の最大開放即ち
減衰期間より大きい。発振回路の整流された発振の平均
値もしくはトリガーインパルスの後の時間の一定点にお
ける開放発振の振幅とはスイッチング動作用の判定基準
として用いられる。この形式の近接スイッチにおいて
は、スイッチ動作を復旧するスイッチ要素のスイッチ位
置の正確さと再現可能性とはまた、磁気的および／もし
くは電気的導体粒子またはスイッチ要素の近接が磁界に
より高周波発振器の発振条件に影響を与えたり、もしく
はスイッチ信号を発生するように高周波発振を維持する
のに使用される制御値に影響を及ぼす事実に基づいてい
る通常使用の非接触形近接スイッチよりは大きくないも
のである。このことは（ａ）スイッチ要素と発振器間の
所望の大きな距りにおける小さな信号変化により時間積
分が必要である；ことと（ｂ）達成可能な精度が回路構
成部品の温度依存性と不十分な微小小形化により、この
形式の近接スイッチを使用する可能性を屡々阻止した値
に限定される、という事実に基づくものである。

別の周知の近接スイッチ（西独特許公開公報第320440
5号）においては、近接するスイッチ要素により変更さ
れ得る周波数を有する発振器とは別に、可変でない周波
数を有する第２の発振器が設けられ、２つの周波数が２
個のカウンタにより決定され、予め設定された差を見出
した時にスイッチ信号を順次復旧する比較器により比較
されるものである。スイッチ要素の位置から従属される
誘導性と周波数変化とは非常に小さいので、周波数の比
較は精度とスイッチ条件の再現性とを改善することには
ならない。

もう一つ別のよく知られた近接スイッチ（西独特許公
開公報第3131490号）に関しては、限定されたスイッチ
要素、例えばトリップ軌条内のトリップ回し金と、非ス
イッチ要素の金属チップの如き金属粒子の近接との間、
または単一みぞ磁界内の相異なる制御カムの間でいずれ
かを微分することが可能である。別の観点よりみれば、
この近接スイッチは、他の周知の近接スイッチより優れ
ているものではない。

本発明の目的とする所は、今までに知られた近接スイ
ッチの限界を克服することを可能にする検出および評価
の原理に基づいている近接スイッチを考案し製作するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

スプール（起動コイル）とコンデンサを除けば、本発
明によればディジタル回路構成部分のみが必要とされ、
このことは、特に集積回路の形式においては特別に簡単
にして費用に対し最も効率のよい方法で小型化を完成し
得ることを意味している。更にこのようにして一層大き
な信頼性を達成することができる。決定的なアナログ
値、即ち基準電圧レベルは、温度とは無関係に集積回路
の外側で簡単な分圧器の力をかりて決定され得る。ディ
ジタル信号の評価により、信頼性の精度と再現性とは著
しく改善され、このためにスイッチ要素と発振器間の距
離を大きくすることが実現可能となる。発振用回路が突
然のサージ状もしくは階段状の方式で駆動されることは
回路を特に簡単にし得ることに貢献する。本発明の更に
顕著な利点は階段状の駆動に対する応答即ち過渡応答の
評価の間に、発振用回路とスイッチ要素の位置と本体の
みを特徴づける固有の特性がまた検出され得る。後部結
合（もしくは再生）アナログ発振器と対照して、他の構
成部品の寸法表示はこれらの固有特性に僅少な影響しか
及ぼさないので、したがって本発明はまたこのような本
体認識機能を実現し得る。検出器（センサ）の数多くの
可能な実施例および過渡応答を特徴づける値のディジタ
ル的な影響および更に処理法により与えられる大きな自
由度とは、スイッチ要素の発振器からの距離を認知もし
くは決定する場合に同時に信頼度の高い本体認識と高精
度とを許容するものである。

このことは特に過渡応答の固有周波数が決定される場
合には特に真実であり、その理由は近接スイッチからの
スイッチ要素の距離がスイッチ要素それ自身の能動的お
よび受動的特性と同様に、後段発振の振幅、減衰時定数
および後段発振の大きさのみならず、過渡応答の固有周
波数にも影響を与えるからである。これらの値もしくは
これらの値の若干のものは同時にもしくは時間的に別々
に影響され得る。

精度を更に増加させることは本発明に係る附加的な実
施例を用いて達成され得る。

例えば、近接スイッチの代りに、発振回路はそれと連
動するスイッチ要素内に設置され得る。この場合および
唯一の起動コイルのみがスイッチ要素内に設けられる場
合に限り、スイッチ要素はまた誘導結合により過渡応答
に能動的に影響を与える集積回路を含むことができる。
この集積回路はマイクロプロセッサと電子的に消去可能
でありプログラム可能な固定値メモリ（EEPROM）とより
構成される。集積回路に必要な動作電圧を用いて供給す
るために、近接スイッチと誘導結合し得る起動コイルが
スイッチ要素に設けられ、この起動コイルはある程度変
成器の２次コイルを形成するものである。

本発明に係る解決策はディジタル形近接スイッチを表
わし、これはセンサの位置をディジタル的に決定するの
みならず、種々の帯域間で微分することをも可能にする
ものである。比較器はまた出力インパルスの一つの数か
ら次の数に転移する間にアナログ出力値を送り、この値
はこれらの出力インパルスに関連する位置において連続
的な位置の調整を可能にする。

好ましくはマイクロプロセッサにより、およびセンサ
の極限の位置即ち距離の値０と無限大の助けをかりて、
評価回路は、センサにより影響される値の絶対値とは無
関係に少くとも１つの位置に関する相対的な基準を送る
少くとも１つの補正値を決定し得る。もしも評価回路が
ディジタルメモリを含むならば、検出された値は選択可
能な表にされた又は連想により補正可能で、例えば位置
の従属性に関して線型化され得る。更に、径路の従属性
に関する種々のヒステリシス特性曲線はすべての検出可
能な、不連続な空間位置に対してディジタル的にプログ
ラム可能である。

〔実施例〕

第１図において、非接触型ディジタル近接スイッチの
図示していない箱体は、高品質の発振回路を有する起動
および評価段１を含んでいる。この発振回路はコイルL1
とコンデンサC1とから構成される。その回路内に直流電
源２と半導体スイッチ３を有する起動コイルL0はコイル
L1に結合されている。半導体スイッチ３は、第２図の電
流対時間特性図に示される如く、階段状の電流変化が達
成される短い時間に起動用コイルL0を流れる電流i₀を遮
断することができる。云うまでもなく起動コイルとして
コイルL1の一部もしくはコイルL1の全体を使用すること
も可能であり直流電源電流を発振回路に供給することも
可能である。制御回路４は半導体スイッチ３を導通状態
から非導通状態へおよびその反対に移転させる。

コイルL1とコンデンサC1の各一つの端子は比較器５の
一入力端に接続され、この比較器はその他の入力端を、
精密な調整可能な基準電圧レベルU_refを送る基準電圧源
６の一端子に接続させている。基準電圧源６の他の端子
はコイルL1とコンデンサC1の他の端子と接続されてい
る。したがって比較器５は発振回路電圧u⁺の瞬時値が基
準電圧レベルU_refの上にあるか、そのレベルにあるか、
もしくはそのレベルより下にあるかどうかを決定するこ
とが可能である。模範的な実施例において、比較例５は
一定レベルをもった電圧u_Kが、発振回路電圧が基準電圧
レベルを超える場合に常にその出力に印加されるように
形成されている。比較器５の出力値はしたがってインパ
ルスである。

第１図に示すように、これらのインパルスは第１のカ
ウンタ７とゲート回路８に供給され、かつ水晶安定化ク
ロック発生器９から生ずるインパルスはこのゲート回路
８の他の入力に印加される。クロック発生器９のインパ
ルスの繰返し率は比較器５のインパルスのそれよりも著
しく大である。第２のカウンタ10の入力はゲート回路８
の出力に接続され、その第２のカウンタ10は、発振回路
電圧u⁺の周波数を、クロック発生器９から送られた計数
用インパルスの数に基づいたディジタル値として決定す
る。典型的な実施例において、２個のカウンタ７と10を
制御する制御回路４は、計数用インパルスの数は比較器
の２つの連続インパルスの間では決定されず、むしろ比
較器のパルスとその次のパルスに続くパルス群の１つと
の間で決定される。しかしながら計数の周期は一層大き
な精度で周波数を決定することが可能であるためには、
比較器の２つ以上のインパルスにわたって拡張し得るこ
とになる。

典型的な実施例においては、磁性体であって導電性金
属から製作された本体が近接スイッチが反応を呈するス
イッチ要素11として設けられている。発振回路のセンサ
表面12からのスイッチ要素11の距離が、回路要素11がコ
イルL1と起動用コイルL0の磁界の外部にあることを示す
程に十分大きい限り、起動コイルL0を通って流れる電流
がターンオフされる場合、発振回路のサージ状もしく
は、階段状起動は発振回路電圧をしてその最大周波数お
よびその最大減衰時定数に対し消滅するようにさせる。
対照的にスイッチ要素が発振回路のコイルL1の磁界内に
配置されるならば、減衰時定数τと発振回路電圧の周波
数とは、距離ａが減少するにつれて小さくなるが、これ
は第２図の発振回路電圧u⁺と比較器５の出力電圧に関す
る電圧−時間特性図に示す通りである。例えば、センサ
表面12からのスイッチ要素11の距離が値a1を有するなら
ば、起動コイルL0における電流i₀の階段状の遮断によ
り、発振回路電圧u⁺をして電圧−時間特性図の第１の位
置に図示した時間曲線を有するようにさせる。この減衰
過程において、発振回路電圧は正方向に４回まで正の基
準電圧レベルU_refを超えるが、これは減少する幅を有す
るが一定の周波数の４個のインパルスをして比較器５の
出力に印加されるようにさせるものである。第１のカウ
ンタ７により決定されるこのインパルスの数DAは第１の
ディジタル値を表わすものであって、このディジタル値
はスイッチ要素11の特性、即ち典型的な実施例において
それによりひきおこされた発振回路の品質係数における
減少に対してと同様に、回路要素11とセンサ表面12の間
の距離の値を指示するものである。比較器５の第１およ
び第３のインパルスの減少側の間の第２のカウンタ10に
より決定される計数用インパルスDFの数は発振回路電圧
u⁺の固有周波数f₀を示すものであり、これはサージ状起
動による過渡応答もしくはステップ応答と称される。第
２のカウンタ10から送られる第２のディジタル値DFはま
た距離a1に関する特性とスイッチ要素11の特性とであ
る。

起動および評価段１から送られる結果の精度と再現性
とは周知の近接スイッチに対するよりも良好であること
は真実である。然しながら発振回路が連続的に数回起動
されインパルス計数が繰返されるならばよりよい結果が
達成し得るし、それにより制御回路４は繰返し数を設定
する可能性を与える。

スイッチ要素11とセンサ表面12の間の距離ａが値a1よ
りも小であれば、減衰時定数τと過渡応答の周波数とは
第２図の電圧−時間特性図に示されるように値a1の場合
よりも小である。このような条件の下では３個のインパ
ルスのみが比較器５の出力に印加される。過渡応答の周
波数はより小であるから、第２のカウンタ10により決定
される計数用インパルスの数はより大である。

典型的な実施例においてスイッチ要素11とセンサ表面
12間の距離、およびスイッチ要素の特性を示すものであ
る所の、第１のカウンタ７により決定されるディジタル
値DAと第２のカウンタ10により決定されるディジタル値
DFとは記憶装置とインタフェースとを含むすぐ次の段13
に入れられる。記憶装置内に格納された製表された関数
とカウンタ結果を比較することにより、近接スイッチの
出力信号は、スイッチ要素11とセンサ表面12間の距離お
よび／もしくはスイッチ要素の特性に依存する記憶装置
内のプログラムに従って発生される。すべての検知可能
な不連続な距離の値に対して、径路または距離の従属性
に関しディジタル的にプログラムされる別のヒステリシ
ス曲線が付与され得るし、茲においてカウンタが計数し
た一定の値DA1において、スイッチはオンに設定され
る。値DA1とは異なる別の値DA2において、スイッチはオ
フに設定される。

第３図に図示された典型的な実施例が第１図と第２図
に示した実施例と相異する点は、その起動および評価段
101は発振回路を含まないで起動コイルL0を含むだけで
あり、その電圧は過渡応答を表わし比較器により基準電
圧レベルと比較される。

コイルL1とコンデンサC1とより構成される発振回路は
スイッチ要素111内に配設される。スイッチ要素111が起
動コイルL0の磁界内に配設されると、この場合もまたコ
イルL0を流れる電流における突然の（もしくはサージ状
の）遮断により発振回路のトリガー作用をひきおこす。
しかしながら発振回路のコイルL1と起動コイルL0間の磁
気結合はまた起動コイルL0内に電圧を誘導せしめ、この
電圧は発振回路電圧に応答して、起動および評価段101
からの過渡応答として評価される。起動コイルL0と発振
回路のコイルL1との間の磁気結合は、スイッチ要素111
とセンサ表面12間の距離に依存するから、このようなス
イッチ要素の特性と同様に、２個のカウンタが決定する
ディジタル値とスイッチ要素111の距離との間において
も同様この典型的な実施例においては従属性が存在す
る。

典型的な実施例において、発振回路は同様にスイッチ
要素111内に内蔵される集積回路114に接続される。この
集積回路114の動作電圧は、他のコイルに磁気的に結合
される補助コイル115により送られる。集積回路114の助
けをかりて、スイッチ要素111の過渡応答は能動的に影
響され、かつスイッチ要素111の特性は広範囲にわたっ
て変化可能である。例えば一定数の完了した減衰過程の
後にコイルL1は短絡可能である。集積回路114は、電気
的にプログラム可能で消去可能な固定値記憶装置を含ん
でおり、この記憶装置内にスイッチ要素条件を識別する
ための特性的なスイッチ機能が貯蔵されている。

好適な実施例のみが特定的に図示されかつ説明された
けれども本発明の種々の修正と変更とは、本発明の精神
と目的とする請求の範囲とを逸脱することなく、上記技
術を考慮して、添付された請求の範囲の範囲内で可能で
あることが正当に理解されることになろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の典型的な実施例の回路図；第２図は第１の典型的な実施例のインパルス特性図；第３図は第２の例示的な実施例の回路図、である。１……起動および評価段、２……直流電流源、３……半導体スイッチ、４……制御回路、５……比較器、６……基準電圧源、７……第１のカウンタ、８……ゲート回路、９……クロック発生器、 10……第２のカウンタ、 11……回路要素、12……センサ表面、 13……記憶装置およびインタフェース、 101……起動および評価段、 111……スイッチ要素、114……集積回路、 115……補助コイル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】段階状の駆動作用を有する発振回路（L1,C
1）、該発振回路からの距離に依存して該発振回路の少
くとも１個の過渡応答の時間曲線に影響を与える少くと
も１個のスイッチ要素（11,111）、およびこのような駆
動作用の後に該発振回路の少くとも一つの過渡応答か
ら、減衰発振の時間曲線に関して、少くとも一つの特性
値を検出する評価段（1,101）を備えた非接触形近接ス
イッチであって、該近接スイッチは、（ａ）少くとも１個の基準電圧レベル（U_ref）を発生さ
せる基準電圧電源（６）；（ｂ）上記過渡応答の振幅を、関連する基準電圧レベル
（U_ref）と比較する少くとも１個の比較器（５）；（ｃ）上記比較器（５）の出力（U_K）と周波数クロック
発生器（９）の出力とが入力されるゲート回路（８）；（ｄ）上記比較器（５）の出力信号（U_K）が入力され、
制御回路（４）により制御される第１のカウンタ（７）
であって、上記過渡応答の減衰周期の少くとも一部分に
おいて該過渡応答の半波、即ち上昇又は落下のいずれか
一つの方向で、その尖頭値が関連のある基準電圧レベル
（U_ref）から偏移する半波の数（DA）を計数するもの；
および（ｅ）上記ゲート回路（８）の出力（U_F）を入力し、制
御回路（４）により制御される第２のカウンタ（10）で
あって、該第１のカウンタ（７）と同時に過渡応答の固
有周波数に対応するディジタル値（DF）を計数し、かつ
該ディジタル値は発振回路のセンサ表面（12）からのス
イッチ要素の距離および該スイッチ要素の特性をも規定
するもの；を具備することを特徴とする非接触形近接スイッチ。
【請求項２】上記クロック発生器（９）の繰返し率は過
渡応答の固有周波数より大である、請求項１に記載の非
接触形近接スイッチ。
【請求項３】上記制御回路（４）は、上記発振回路（1
1）の繰返し段階状駆動動作用に、および該第１および
第２のカウンタ（7,10）の計数プロセスを或る数の過渡
応答用に設定する手段として用いられるものである、請
求項１又は請求項２に記載の非接触形近接スイッチ。
【請求項４】上記スイッチ要素（11）は、過渡応答の固
有周波数（f₀）と減衰時定数（τ）に影響を与える磁性
材の導電性小金属板を有するものである、請求項１から
請求項３までのいずれかに記載の非接触形近接スイッ
チ。
【請求項５】上記スイッチ要素（11）は過渡応答の減衰
時定数（τ）のみに本質的に影響を与える、導電性では
あるが磁気的伝導性のない材料より構成されている、請
求項１から請求項３までのいずれかに記載の非接触形近
接スイッチ。
【請求項６】上記スイッチ要素はフェライト材料より構
成され、本質的に過渡応答の固有周波数（f₀）のみに影
響を与えるものである、請求項１から請求項３までのい
ずれかに記載の非接触形近接スイッチ。
【請求項７】上記駆動および評価段（101）は起動コイ
ル（L₀）を備え、かつ上記スイッチ要素（111）は上記
起動コイル（L₀）に磁気結合された発振回路（L1,C1）
を具備するものである、請求項１に記載の非接触形近接
スイッチ。
【請求項８】該近接スイッチはディジタルメモリを更に
具備し、該ディジタルメモリは、該ディジタルメモリに
おける選択された表による割付けにより上記起動および
評価段（1,101）のセンサ表面（12）と上記スイッチ要
素（11,111）間の距離の所定のディジタル値を補正する
ために、上記起動および評価段（1,101）内部に設けら
れたものである、請求項１から請求項７までのいずれか
に記載の非接触形近接スイッチ。
【請求項９】上記ディジタルメモリは、上記起動および
評価段（1,101）の上記センサ表面（12）と、上記スイ
ッチ要素（11,111）間のすべての検知可能な不連続な距
離に依存する若干の相異なるヒステリシス特性曲線を格
納し、該曲線は、カウンタ（7,10）により計数された与
えられ数（DA1）の半波において、関係するスイッチ機
能はオンに設定され、上記数（DA1）とは異なる別の数
（DA2）において、スイッチ機能がオフに設定される上
記径路の従属性に関し、該曲線がディジタル的にプログ
ラムされるものである、請求項８に記載の非接触形近接
スイッチ。
【請求項１０】スイッチ要素（111）の補助コイル（11
5）は、起動および評価段の起動コイルL₀への誘導結合
によりスイッチ要素（111）内の集積回路（114）に対し
動作電圧を送るものであり、かつ上記集積回路（114）
は与えられ数の完了された減衰プロセスの繰返しの後
に、コイル（L1）を都合よく短絡することによりスイッ
チ要素（111）の過渡応答に活性的に影響を与えるもの
である、請求項７に記載の非接触形近接スイッチ。
【請求項１１】集積回路（114）は、特性スイッチ機能
がスイッチ要素条件の識別用に記憶することのできる電
気的にプログラム可能で消去可能な固定値メモリを含む
ものである、請求項10に記載の非接触形近接スイッチ。