JP2550621B2 - 高周波発振型近接スイッチ - Google Patents

高周波発振型近接スイッチ

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    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945Proximity switches
    • H03K17/95Proximity switches using a magnetic detector
    • H03K17/952Proximity switches using a magnetic detector using inductive coils
    • H03K17/9525Proximity switches using a magnetic detector using inductive coils controlled by an oscillatory signal

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Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 この発明は、高周波発振型の近接スイッチに関する。
(ロ)従来の技術 従来より、よく知られた高周波発振型の近接スイッチ
は、検出コイルを含む高周波発振回路を備え、金属体が
検出コイルの近傍に到来すると、高周波発振回路の発振
振幅が変化し、あるいは発振周波数が変化し、これらの
変化をとらえ、金属体の到来検出や材質判別を行ってい
る。この種の近接スイッチにおける発振振幅の変化は、
コイルの損失抵抗分の変化を、また、発振周波数の変化
は、コイルのリアクタンス分の変化を検出するものであ
る。
(ハ)発明が解決しようとする問題点 上記のように、従来の高周波発振型の近接スイッチ
は、コイルの損失抵抗分か、あるいはコイルのリアクタ
ンス分の変化を検出する。しかしながら、金属体に高周
波磁界を与えた場合は、その材料(導電率、透磁率等の
相違)、そして与える高周波磁界の周波数によって決ま
る位相の渦電流が発生する。したがって、この渦電流に
よって、コイルに発生する電圧、すなわち、金属体の渦
電流によるコイルへの影響は、損失抵抗分やリアクタン
ス分と一致するものではない。また、コイル自身も温度
によって損失抵抗分やリアクタンス分が変化することも
あり、この温度による変化と渦電流による変化の分離が
困難であり、結果的に、温度特性が安定しないという問
題があった。
この発明は、上記問題点に着目してなされたもので、
金属体に流れる渦電流によって発生する電圧成分そのも
のを検出し、安定高精度に金属体を検出し得る高周波発
振型近接スイッチを提供することを目的としている。
(ニ)問題点を解決するための手段及び作用 この発明の高周波発振型近接スイッチは、高周波発振
回路と、この高周波発振回路よりの信号により励振され
る励磁コイルと、金属体が到来しない状態で、前記励磁
コイルとほぼ同レベルの電圧を出力する補償コイルと、
前記励磁コイル及び補償コイルの発生電圧を入力に受け
て差動増幅し、金属体が到来すると、金属体に渦電流が
流れることにより、前記励磁コイルに発生する電圧に応
じたレベル電圧を出力する差動増幅回路と、前記高周波
発振回路の出力信号の位相を、前記励磁コイルに金属体
が接近することで生じる位相ズレ(θ)分だけ移相する
移相回路と、 この移相回路の出力に応答し、所定周期のサンプリン
グパルスを発生するパルス発生回路と、前記サンプリン
グパルスにより、前記差動増幅回路の出力をサンプリン
グ保持するサンプリング回路と、このサンプリング回路
の出力が、基準レベルを越えたか否かを比較するコンパ
レータ回路とから構成されている。
一般に、コイルに金属体が近接していない状態のコイ
ルのインピーダンスωLo(損失分無視)を基準にして、
金属体が近接したときのコイルインピーダンスの変化を
ベクトル的に表現した正規化インピーダンスは第3図の
ように示される。同図において、縦軸はインダクタンス
の変化、横軸は損失抵抗の変化を示している。Fは正規
化周波数で、 F=2πfμσ1r2 f:励磁周波数、μ1:金属の透磁率、 r:コイルの半径、σ1:金属の導電率、 で表される。
今、例えば、正規化周波数F=10という条件で、金属
体が近接すると、近接につれてインピーダンスの変化
は、図のA→B→Cと大きくなる。
そこで、このコイルに高周波の定電流iを流して得ら
れる電圧は、正規化インピーダンスにωLoi(定数)を
かけて得られる。すなわち、第3図は、コイルに誘起す
る電圧ベクトルとしても見ることができる。
コイルに誘起される電圧は、金属体が近接していない
時の基準ベクトル▲▼に対して、金属体が近接する
と、近接につれて▲▼、▲▼、▲▼という
渦電流による電圧が加算され、▲▼、▲▼、▲
▼という電圧に変化したものと解釈できる。
そこで、01という電圧が、▲▼、▲▼、▲
▼と変化するのを検出するよりは、基準の▲▼と
いう電圧成分をキャンセルし、しかも▲▼、▲
▼、▲▼というベクトル方向のみを検出すれば、よ
りS/N比の高い検出ができると言える。
この発明の高周波発振近接スイッチは、この原理を採
用したものである。
この発明の高周波発振型近接スイッチにおいて、金属
体が近接しない状態では、発振回路より流される定電流
が、励磁コイル及び補償コイルを流れるのみなので、両
コイルに発生する電圧は、差動増幅回路で相殺され、そ
の出力は略0である。これに対し、金属体が近接して来
ると、励磁コイルによる磁束により金属体に渦電流が流
れ、これにより、励磁コイルには渦電流による電圧が加
算されることになり、差動増幅回路からは、励磁コイル
と補償コイルの差電圧が出力される。一方、移相回路に
より、発振回路よりの高周波信号が、正規化周波数Fで
予め定まる所定角だけ、位相を移相し、パルス発生回路
で、サンプリング用のパルスを発生し、このパルスによ
りサンプリング回路を動作させて、差動増幅回路の出力
をサンプリング保持する。この出力は、第3図の1A、1
B、1Cに相当するものであり、この値がコンパレータ回
路で基準レベルを越えたか否か比較され、金属体の近接
の有無が判別される。
(ホ)実施例 以下実施例により、この発明をさらに詳細に説明す
る。
第1図は、この発明の一実施例を示す高周波発振型近
接スイッチの回路図である。同図において、同一構造を
持つ励磁コイル1及び補償コイル2と抵抗R1、R2(R1
R2=R)でブリッジ回路3を構成している。高周波発振
回路4とグランドGND間に、ブリッジ回路が接続されて
いる。励磁コイル1は、到来する金属体の方向に向けて
配置され、補償コイル2は、金属体の到来で、金属体の
渦電流により発生する磁界の影響を受けない位置に配置
される。抵抗R1と励磁コイル1の接続点aは、演算増幅
器5の−入力端に、また抵抗R2と補償コイル2の接続点
bが、演算増幅器5の+入力端に、それぞれ接続されて
いる。演算増幅器5の−入力端と+入力間に、可変抵抗
器VR1、VR2が接続され、これら可変抵抗器VR1、VR2の可
変端子とグランドGND間に、コンデンサC1、抵抗R3が接
続されている。これら可変抵抗器VR1、VR2及びコンデン
サC1、抵抗R3で分布容量等によるアンバランスを補正す
るようにしている。演算増幅器5の出力端と−入力端間
に抵抗R4が接続され、演算増幅器5の−入力端とグラン
ドGND間に抵抗R5が接続されている。これら演算増幅器
5、抵抗R4、R5等で差動増幅回路6が構成されている。
演算増幅器5の出力端は、抵抗R6、電界効果トランジ
スタ10を介して、演算増幅器11の+入力端に接続されて
いる。演算増幅器11の+入力端とグランドGND間に、充
電用のコンデンサC2が接続されている。電界効果トラン
ジスタ10のゲート電極とグランドGND間に、NPN型のトラ
ンジスタ9が接続されている。演算増幅器11の出力端と
−入力端に抵抗R8が接続され、さらに演算増幅器11の−
入力端とグランドGND間に抵抗R9が接続されている。ト
ランジスタ9、電界効果トランジスタ10、コンデンサC2
及び演算増幅器11でサンプリング回路12が構成されてい
る。
高周波発振回路4の出力は、移相回路7にも入力さ
れ、移相回路7は、入力される高周波信号の位相を予め
設定する位相角だけ移相し、この移相回路7の出力を受
けて、パルス発生回路8がパルス信号を発生し、このパ
ルス信号により、その期間だけ、トランジスタ9をONす
るように構成されている。
一方、演算増幅器11の出力は、コンパレータ回路13に
入力され、コンパレータ回路13は、基準レベルとこの入
力信号レベルを比較し、入力信号レベルの方が大なる場
合、ハイ(論理“1")信号を出力し、出力トランジスタ
14をONするようになっている。
次に、実施例高周波発振型近接スイッチの動作を説明
する。
電源が投入されると、高周波発振回路4が動作を開始
し、励磁コイル1は、第2図の(a)に示す励磁電圧で
励磁される。今、金属体が励磁コイル1の近傍に到来し
ていない場合は、励磁コイル1には、自身の励磁磁界に
よる誘起電圧のみが発生し、この電圧は補償コイル2に
発生する電圧と略同一であり、演算増幅器5の出力に
は、点aと点bの電圧が差動的に導出されるので、つま
り、励磁コイル1に発生する電圧は補償コイル2の電圧
で相殺され、差動増幅回路6の出力は、第2図の(c)
に示すように略0となる。図において、完全に0となら
ずにレベルへ変動しているのは、両コイルのアンバラン
ス特性等によるものである。このような差動増幅回路6
の出力では、サンプリング回路12が、パルス発生回路8
のパルス信号を受けてサンプリング動作しても、コンパ
レータ回路13の入力は基準レベルを越えず、従って出力
トランジスタ14はONしない。
金属体が励磁コイル1に近接すると、励磁磁界の変化
により、金属体に渦電流が流れ、この渦電流により発生
する磁界で、励磁コイル1には、第2図の(b)に示す
如き電圧が誘起される。この渦電流による電圧は、励磁
電圧に対し、θの位相のズレを持っている。もっとも、
この金属体の渦電流による電圧は、補償コイル2には誘
起されない。そのため、渦電流による電圧分が、差動増
幅回路6の出力端に導出される。一方、発振回路4より
の高周波信号が移相回路7でθだけ、位相がずらされ、
この移相された信号を受けて、パルス発生回路8は、第
2図の(d)に示すサンプリングパルスを発生する。こ
のパルスにより、トランジスタ9がONし、これにより電
界効果トランジスタ10のゲート電位がグランドレベルと
なり、ONする。そのため、差動増幅回路6の出力は、電
界効果トランジスタ10を通して、コンデンサC2を充電す
る。サンプリングパルスが印加されなくなると、トラン
ジスタ9及び電界効果トランジスタ10がOFFし、コンデ
ンサC2への充電を停止し、次のサンプリングパルスが入
力されるまで、そのレベルを保持し、出力する。コンパ
レータ回路13は、サンプリング回路12の出力と基準レベ
ルVSを比較し、基準レベルVSの方が大きい場合〔第2図
の(e)のA参照〕は、第2図の(f)に示すように、
ハイ信号を出力しない。従って、この場合は、また出力
トランジスタ14はONしない。サンプリング回路12の出力
が、基準レベルVSを越えると〔第2図の(e)のB参
照〕、コンパレータ回路14はハイ信号を出力する〔第2
図の(f)参照〕。このハイ信号により、出力トランジ
スタ14がONする。
(ヘ)発明の効果 この発明によれば、金属体が近接していない状態で
は、励磁コイルと補償コイルからの電圧を差動増幅回路
で相殺し、金属体が近接した状態では励磁コイルにの
み、過電流による電圧が発生するようにし、差動増幅回
路を通しての出力電圧を検出電圧とする一方、そして過
電流による電圧の位相のずれを移相回路で、その分移相
し、差動増幅回路の出力を移相回路の出力に応じたタイ
ミングのサンプリングパルスでサンプル保持するもので
あるから、差動増幅回路の出力は、正弦波のほぼピーク
でサンプリング保持できるので、他の成分を排除するこ
とができ、信号のS/N比が改善され、また温度変化によ
る影響を軽減、つまり安定化できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の一実施例を示す高周波発振型近接
スイッチの回路図、第2図は、同高周波発振型近接スイ
ッチの動作を説明するための波形図、第3図は、金属体
がコイルに接近した場合の正規化インピーダンスの変化
を示す図である。 1:励磁コイル、2:補償コイル、 4:高周波発振回路、6:差動増幅回路、 7:移相回路、8:パルス発生回路、 12:サンプリング回路、13:コンパレータ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高周波発振回路と、この高周発振回路より
    の信号により励振される励磁コイルと、金属体が到来し
    ない状態で、前記励磁コイルとほぼ同レベルの電圧を出
    力する補償コイルと、前記励磁コイル及び補償コイルの
    発生電圧を入力に受けて差動増幅し、金属体が到来する
    と、金属体に過電流が流れることにより、前記励磁コイ
    ルに発生する電圧に応じたレベル電圧を出力する差動増
    幅回路と、前記高周波発振回路の出力信号の位相を、前
    記励磁コイルに金属体が接近することで生じた位相ズレ
    (θ)分だけ移相する移相回路と、この移相回路の出力
    に応答し、所定周期のサンプリングパルスを発生するパ
    ルス発生回路と、前記サンプリングパルスにより、前記
    差動増幅回路の出力をサンプリング保持するサンプリン
    グ回路と、このサンプリング回路の出力が、基準レベル
    を越えてか否かを比較するコンパレータ回路を備えたこ
    とを特徴とする高周波発振型近接スイッチ。
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