JP3774859B2 - 高周波発振型近接センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波発振回路の一部を構成する検出用コイルを備え、被検出体と上記検出用コイルとの間の電磁誘導作用による発振出力電圧（振幅）の変化を利用して前記被検出体の近接を検出する高周波発振型近接センサに関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
検出対象物の有無（接近）を無接触で検出する近接センサの一種に、高周波発振回路の一部を構成する検出用コイルを備え、この検出用コイルに導電性の検出対象物（例えば金属）が存在または接近したとき、電磁誘導作用により該検出用コイルのインダクタンスや損失が変化し、これに伴って高周波発振回路の発振周波数や発振振幅が変化することを利用して上記検出対象物の存在や接近を検出する高周波発振型のものがある。
【０００３】
この種の高周波発振型近接センサには、一般的にその検出特性が安定であることのみならず、その検出距離を十分に長く設定し得ること等が要求され、従来より種々の改良が施されている。例えば米国特許第４,５０９,０２３号（対応日本特許出願；特公平６−１４６０４号公報）や米国特許第４,９４２,３７２号（対応日本特許出願；特開平１−２１２００５号公報）には、検出用コイルが持つ銅抵抗Ｒcuの温度依存性を相殺するべく、検出用コイルの両端に、その銅抵抗Ｒcuに比例する電圧を加えることが提唱されている。具体的には、負性抵抗を有する増幅器を用いて検出用コイルに対する帰還回路を構成し、この帰還回路により前記検出コイルの内部抵抗Ｒiに所定の温度特性を持つ電圧降下を生起して該検出用コイルの銅抵抗Ｒcuの温度依存性を打ち消すことが提唱されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで従来一般的なこの種の近接センサ（近接スイッチ）においては、検出対象物が所定の距離まで近付いたとき、高周波発振回路が発振停止するようにその動作点を設定しており、このような動作特性を有する発振回路は、通常、硬発振回路と称されている。これに対して検出対象物の近接位置に応じた複数点においてその検出を行う場合には、例えば検出対象物との距離に応じて発振振幅が変化する動作特性を備えた、いわゆる軟発振回路を構築することが必要となる。
【０００５】
ちなみに高周波発振回路の軟発振とは、検出用コイルのＱの変化に応じてその発振振幅が変化する発振形態を示す。尚、検出用コイルのＱは、検出対象物の有無によって変化する検出用コイルの内部抵抗Ｒに大きく依存する。この検出用コイルのＱは、検出用コイルの自己インダクタンスをＬ、この検出コイルと共振用コンデンサとにより形成されるＬＣ共振回路における共振角周波数をωとしたとき近似的に［Ｑ＝ωＬ／Ｒ］として与えられる。そして検出対象物の有無による検出用コイルのＱの変化の大きさは、その近傍に検出対象物があるときのＱの値［Ｑin］と、検出対象物がないときのＱの値［Ｑout］との比、即ち、［Ｑ比＝Ｑin／Ｑout］として捉えることができる。
【０００６】
しかし前述した検出特性の安定化を図ると共に、その検出距離を伸ばすと言う要求を満たしながら軟発振回路を構築するに際しては、例えば前述した帰還回路によって検出用コイルの銅抵抗Ｒcuの温度依存性を打ち消しながら、検出コイルのＱの変化に応じて高周波発振回路の発振振幅を変化させることが必要なので、その構成が相当大掛かりなものとなる等の問題がある。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、検出用コイルの銅抵抗Ｒcuを等価的に消去することで発振回路の温度依存特性を補償し、その動作特性の安定化を図ると共に、上記検出用コイルを備えた高周波発振回路の軟発振回路化を図ることのできる簡易な構成の高周波発振型近接センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る高周波発振型近接センサは、
<1> 高周波発振回路の一部を構成する、例えば２糸コイルからなる検出用コイルと、
<2> 入力電圧に対する電圧利得を多段階に変化させる非線形増幅器からなり、上記検出用コイルに生起された電圧に応じた増幅出力電圧を電流変換して前記検出コイルに加えて該検出用コイルを発振駆動する前記高周波発振回路を形成してなり、且つ前記検出用コイルのＱの変化に応じて前記検出用コイルに生起される発振振幅を変化させる発振駆動回路と、
<3> この発振駆動回路と並列に設けられて前記検出用コイルに生起される発振出力電圧を検出するバッファ、このバッファによる検出電圧を位相回転させて前記検出用コイルの銅抵抗に起因する電圧成分に相当する電圧を生成する移相回路、およびこの移相回路の利得を調整する利得調整抵抗からなり、上記移相回路の出力電圧を上記利得調整抵抗を介して前記検出用コイルに帰還して前記検出用コイルの銅抵抗を打ち消す銅抵抗補償回路と
を備えることを特徴としている。
【０００９】
本発明の好ましい態様は、前記銅抵抗補償回路の利得調整抵抗は、前記検出用コイルの銅抵抗よりも十分に大きい値を有するものであって、前記移相回路は、前記検出コイルの発振角周波数に反比例するゲインが設定されたものとして実現される（請求項２）。
また前記非線形増幅器は、上記補償回路とは独立に作動するものであって、入力電圧に応じて設定される増幅利得が互いに異なる複数の増幅器を並列に備え、これらの増幅器の出力を合成して前記検出用コイルに生起される発振電圧の振幅に応じて多段階に変化する増幅出力電圧を得ることで、該非線形増幅器と前記検出用コイルとがなす前記高周波発振回路に軟発振特性を付与するものとして機能する（請求項３）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る高周波発振型近接センサについて説明する。
図１はこの実施形態に係る高周波発振型近接センサの要部概略構成図であり、図２はこの高周波発振型近接センサに組み込まれる非線形増幅器の構成例を示している。この高周波発振型近接センサは、例えば一端を共通に接続した２本の高周波リッツ線を互いに縒り合わせた２糸コイルＬ１,Ｌ２を樹脂製のボビンに巻装し、該ボビンにフェライトコア挿入した検出用コイル１として備えたもので、その一方のコイルＬ１に並列に接続されたコンデンサＣとの間でＬＣ並列共振器を形成している。
【００１１】
また非線形増幅器２は、上記検出用コイル１に接続されて該検出用コイル１を発振駆動する高周波発振回路を構成するもので、更に検出用コイル１のＱの変化に応じて該検出用コイル１に生起される発振振幅を変化させる役割を担う。この非線形増幅器２は、基本的には前記検出用コイル１に生起された電圧を入力して増幅し、その増幅出力電圧を抵抗３を介して電流変換して前記検出用コイル１に出力することで、入力電圧に応じて電流を吐き出すと言う負性抵抗のような働きを呈することで、検出用コイル１を発振駆動する。
【００１２】
ちなみにこの非線形増幅器２は、例えば図２に示すように基準電圧Ｖａによりバイアスされた第１の増幅器２ａ、基準電圧Ｖｂによりバイアスされた第２の増幅器２ｂ、および所定の増幅利得（ゲインＧo）を有する第３の増幅器２ｃを並列に設け、これらの各増幅器２ａ,２ｂ,２ｃの各増幅出力を出力増幅器２ｄにて加算して出力するように構成される。
【００１３】
尚、第１の増幅器２ａのバイアス電圧Ｖin1は、
Ｖin1 ＝ ［１＋Ｒ11／（Ｒ12＋Ｒ13）］Ｖａ
として与えられる。また第１の増幅器２ａは、その入出力端間に並列接続されたダイオードＤ11と、その出力端に直列に介挿されたダイオードＤ12とを備えており、上記バイアス電圧Ｖin1を境として抵抗Ｒ12が形成する帰還ループを選択的にバイパスすることで入力電圧Ｖinに対する増幅利得を変えている。この結果、第１の増幅器２ａは入力電圧Ｖinが上記バイアス電圧Ｖin1よりも小さいときには［Ｖin≦Ｖin1］、
Ｖ01 ＝ −Ｖin（Ｒ12／Ｒ11）＋（１＋Ｒ12／Ｒ11）Ｖａ
なる出力電圧Ｖ01を得、また入力電圧Ｖinが上記バイアス電圧Ｖin1を越えたときには［Ｖin＞Ｖin1］、
Ｖ01 ＝ ［Ｒ13／（Ｒ12＋Ｒ13）］Ｖａ
なる一定の出力電圧Ｖ01を得るものとなっている。
【００１４】
また第２の増幅器２ｂのバイアス電圧Ｖin2は、
Ｖin2 ＝ ［１＋Ｒ21／（Ｒ22＋Ｒ23）］Ｖｂ
として与えられる。そしてこの第２の増幅器２ｂも、その入出力端間に並列接続されたダイオードＤ21と、その出力端に直列に介挿されたダイオードＤ22とを備えており、上記バイアス電圧Ｖin2を境として抵抗Ｒ22が形成する帰還ループを選択的にバイパスすることで入力電圧Ｖinに対する増幅利得を変えている。この結果、第２の増幅器２ａは入力電圧Ｖinが上記バイアス電圧Ｖin2よりも大きいときには［Ｖin≧Ｖin2］、
Ｖ02 ＝ −Ｖin（Ｒ22／Ｒ21）＋（１＋Ｒ22／Ｒ21）Ｖｂ
なる出力電圧Ｖ02を得、また入力電圧Ｖinが上記バイアス電圧Ｖin2に満たないときには［Ｖin＜Ｖin2］、
Ｖ02 ＝ ［Ｒ23／（Ｒ22＋Ｒ23）］Ｖｂ
なる一定の出力電圧Ｖ02を得るものとなっている。
【００１５】
非線形増幅器２は、上述した第１および第２の増幅器２ａ,２ｂの各増幅出力Ｖ01,Ｖ02と、第３の増幅器２ｃの増幅出力とを前述した出力増幅器２ｄにて加算合成することで、全体的にはその入力電圧Ｖinに応じてその増幅利得を変化させて、図３に例示するような非線形の入出力特性を示すものとなっている。そしてその入力電圧Ｖinとして前記検出用コイル１に生起される振幅電圧を入力し、その出力電圧Ｖoutを抵抗３を介して電流変換して該検出用コイル１に供給することで検出用コイル１を発振駆動している。
【００１６】
一方、前記検出用コイル１には、該検出用コイル１に生起された電圧を取り出すバッファ４が設けられており、このバッファ４の出力はコンデンサ５を介して９０°位相が回転された後、前記検出用コイル１の他方のコイルＬ２に帰還されている。このバッファ４およびコンデンサ５は、検出用コイル１の銅抵抗Ｒcuを打ち消す補償回路として機能するもので、上記銅抵抗Ｒcuを打ち消すことで検出用コイル１の前述したＱ比を改善すると共に、該検出用コイル１の温度依存性を相殺する役割を担う。
【００１７】
ここで２糸コイルからなる検出用コイル１の性質について考察してみると、この検出用コイル１は、例えば図４(ａ)に示すように、等価的にはその自己インダクタンスＬ（Ｌ１,Ｌ２）と、銅損に依存するオーム性の抵抗Ｒcu、誘導性抵抗Ｒi、および被検出体における渦電流損Ｒtに分けて考えることができる。そして２糸コイル間の結合が十分に強い場合、上記検出用コイル１は、更に図４(ｂ)に示すような等価回路として表現することができる。そこでこの検出用コイル１における一方のコイルＬ１を共振回路用とし、他方のコイルＬ２を銅抵抗補償用として用いるものとすると、図４(ｂ)に示すように検出用コイル１に含まれる銅抵抗Ｒcuを、誘導性抵抗Ｒiおよび渦電流損Ｒtから分離したものとして捉えることができる。
【００１８】
そこで今、２糸コイルＬ１,Ｌ２の共通接続点Ａと共振回路側のコイルＬ１の端子Ｂと間に、その共振によって各周波数ωの交流電圧が生起されている状態を考え、他方のコイルＬ２の端子Ｃを無視すると、銅抵抗Ｒcuを分離した点ＤにはインダクタンスＬ１（＝Ｌ２）を介して位相が−９０°回転し、そのインピーダンス［ωＬ＋Ｒi＋Ｒt］と銅抵抗Ｒcuとにより抵抗分割された電圧振幅が現れることになる。従ってこのＤ点に現れる電圧振幅と同じで、且つその位相がＡ点から見て＋９０°回転した電圧を、前記他方のコイルの端子Ｃを経由して上記Ｄ点に与えるようにすれば、これによってＤ点に生じる電圧振幅を相殺し、その電圧を零[０]とすることが可能となる。すると端子Ａ-Ｂ間からコイルＬ１を見たとき、点Ｄの電圧が零[０]であるので、検出用コイル１が内在する銅抵抗Ｒcuが実質的に見えなくなり、銅抵抗Ｒcuを０Ωにすることができる。即ち、銅抵抗Ｒcuを効果的に打ち消すことが可能となる。
【００１９】
前述したバッファ４およびコンデンサ５は、このような電圧をコイルＬ２の端子Ｃを介して印加する役割を担い、近似的にはコンデンサ５の値（容量）Ｃを
１／（ωＣ） ＝ ωＬ
なる関係を満たすように選定することで、上述したように検出用コイル１に含まれる銅抵抗Ｒcuを打ち消す（消去する）ことができる。この結果、検出用コイル１のＱ比を大幅に改善し、また銅抵抗Ｒcuに起因する温度依存性を除去してその発振動作の安定化を、ひいては近接センサとしての動作の安定化を図ることが可能となる。更には近接センサの検出距離を伸ばすことが可能となる。
【００２０】
またこのようにして検出用コイル１に含まれる銅抵抗Ｒcuを打ち消した場合、この検出用コイル１に上述したバッファ４およびコンデンサ５を加えたものを銅抵抗Ｒcuを打ち消した１つの検出用コイル、即ち、銅抵抗消去回路付きのコイルとして捉えることができる。従って前述した非線形増幅器２を設計するに際しては、銅抵抗Ｒcuが存在しないコイルを対象としてその回路定数を決定すればよいので、その設計が容易であり、回路構成の簡素化を図ることも容易である。
【００２１】
また銅抵抗Ｒcuを打ち消す為のバッファ４の利得（ゲイン）は、銅抵抗Ｒcuに応じて一定であることが必要であるのに対して、非線形増幅器２はその利得（ゲイン）を発振振幅に応じて変えることが必要であり、相反する要求となる。しかしながら上述したようにバッファ４をコイルの一部として捉えることができるので、非線形増幅器２を上記バッファ４とコンデンサ５とがなす補償回路と分離して設計することができるので、この点でもその設計の容易化と構成の簡素化を図ることができる。
【００２２】
ところで上述した実施形態においては、バッファ４の出力電圧の位相を回転させる為にコンデンサ５を用いたが、例えば図５に示すように移相回路６と利得調整用の抵抗７とを用いてバッファ４の出力電圧の位相を回転させるようにしても良い。この場合、上記抵抗７は
Ｒo ＝ ωＬ−ｎ・Ｒcu
となるように設定される。
【００２３】
このようにして移相回路６を用いて検出用コイル１の銅抵抗Ｒcuを打ち消すようにすれば、発振周波数の変化に対する銅抵抗消去の安定性を高くすることが可能となる。即ち、バッファ４の出力電圧を移相回路６を介して移相して検出用コイル１に帰還する場合には、図６(ａ)にその等価回路を示すように、検出用コイル１のインダクタンスＬには発振により生起された電圧Ｖを受けて、その共通接続点Ａから電流ｉ1が供給され、また端子Ｃからは移相回路６から利得調整用の抵抗（Ｒo）７を介して電流ｉ2が供給されることになる。そしてこれらの電流ｉ1,ｉ2は、銅抵抗Ｒcuを分離した点Ｄにて合成されて銅抵抗Ｒcuに流れ込む。従って上記電圧Ｖは、
Ｖ ＝ ｉ1・ｊωＬ＋(ｉ1＋ｉ2)・Ｒcu …(１)
として表すことができ、またバッファ４から帰還すべき電圧ｇＶは、
ｇＶ ＝ (ｉ1＋ｉ2)・Ｒcu＋ｉ2・(Ｒcu＋Ｒo) …(２)
として表すことができる。但し、上記ｇは帰還回路の利得である。そして銅抵抗Ｒcuを打ち消すことは、該銅抵抗Ｒcuに流れる電流(ｉ1＋ｉ2)を零(０)とすることを意味する。従って前述した利得調整用の抵抗７の値Ｒが銅抵抗Ｒcuよりも十分に大きいとすると（Ｒcu＜＜Ｒ）、上記式(１),(２)から近似的に上記利得ｇを
ｇ ＝ −ｊ・(Ｒ／ωＬ)
として設定すれば良いことが分かる。
【００２４】
これに対して前述したようにコンデンサ５を用いてバッファ４の出力電圧を９０°回転させた場合、図６(ｂ)にその等価回路を示すように検出用コイル１のインダクタンスＬには発振により生起された電圧Ｖを受けて、その共通接続点Ａから電流ｉ1が供給され、また端子Ｃからはコンデンサ５を介して電流ｉ2が供給されることになる。そしてこれらの電流ｉ1,ｉ2は、銅抵抗Ｒcuを分離した点Ｄにて合成されて銅抵抗Ｒcuに流れ込む。従ってバッファ４から帰還すべき電圧ｇＶは、
ｇＶ ＝ (ｉ1＋ｉ2)・Ｒcu＋ｉ2・(ｎ・Ｒcu＋１／ｊωＣ) …(３)
となる。そしてコンデンサＣのインピーダンス（１／ｊωＣ）が銅抵抗Ｒcuよりも十分に大きいとすると（Ｒcu＜＜１／ｊωＣ）、バッファ４に求められる利得ｇは近似的に
ｇ ＝ １／ω²ＬＣ
となる。
【００２５】
このことは、バッファ４の出力電圧をコンデンサ５を用いて位相回転させて検出用コイル１に帰還する場合、銅抵抗Ｒcuの補償に必要される電圧振幅は、ωの２乗（ω²）に反比例することを意味する。
従って移相回路６を用いてバッファ４の出力電圧の位相を回転させる場合には、その補償に必要とされる電圧振幅がωに反比例するようになる。これ故、コンデンサ５に代えて移相回路５を用いるようにすれば、発振角周波数ωの１次に反比例するようなゲインを設定するだけで良いので、コンデンサ５を用いて位相回転する場合よりも、その回路設計の容易化を図ることができ、また銅抵抗補償の安定性を高めることが可能となる。更にはその周波数依存性を小さくすることができる等の効果が奏せられる。
【００２６】
即ち、移相回路６を用いた方が、発振周波数の変化に対する銅抵抗消去の安定性を高くし、軟発振化に際して非線形増幅器２に要求される制約条件を大幅に緩和し、その周波数依存性を小さくすることができるので、非線形増幅器２による軟発振化をより簡単に実現することが可能となる等の効果が奏せられる。
また上述した如くして移相回路５を用いる場合には、例えば利得調整用抵抗７（Ｒo）や移相量調整用の抵抗（Ｒconst）等にサーミスタ等の感温抵抗体を外付け部品として付加すれば、これによってその移相特性を容易に微調整することができるので、銅抵抗Ｒcuの温度依存性を含めて該銅抵抗Ｒcuを効果的に打ち消すことが可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、検出用コイルに接続されて該検出用コイルを発振駆動する前記高周波発振回路を構成すると共に、該検出用コイルのＱの変化に応じて前記検出用コイルに生起される発振振幅を変化させる非線形増幅器を設け、更に前記検出用コイルに生起される発振出力電圧を位相回転させて該検出用コイルに帰還して前記検出用コイルの特性を補償する補償回路を備えるので、検出用コイルの温度依存特性を補償して、特に銅抵抗を打ち消して検出用コイルのＱおよびＱ比を改善し、その動作特性の安定化を図りながら高周波発振回路の軟発振回路化を図ることができる。しかも簡単な構成の非線形増幅器を用いてその軟発振化を図ることができるので、その実用的利点が多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る高周波発振型近接センサの概略構成図。
【図２】図１に示す高周波発振型近接センサに組み込まれる非線形増幅器の構成例を示す図。
【図３】図２に示す非線形増幅器の入出力特性を示す図。
【図４】検出用コイルの等価回路を示す図。
【図５】本発明の別の実施形態に係る高周波発振型近接センサの概略構成図。
【図６】銅抵抗Ｒcuの打ち消し作用を説明する為の等価回路。
【符号の説明】
１ 検出用コイル（２糸コイル）
２ 非線形増幅器
３ 抵抗
４ バッファ
５ コンデンサ
６ 移相回路
７ 抵抗

Claims (3)

1. 高周波発振回路の一部を構成する検出用コイルと、
   入力電圧に対する電圧利得を多段階に変化させる非線形増幅器からなり、上記検出用コイルに生起された電圧に応じた増幅出力電圧を電流変換して前記検出コイルに加えて該検出用コイルを発振駆動すると共に、該検出用コイルのＱの変化に応じて前記検出用コイルに生起される発振振幅を変化させる発振駆動回路と、
   この発振駆動回路と並列に設けられて前記検出用コイルに生起される発振出力電圧を検出するバッファ、このバッファによる検出電圧を位相回転させて前記検出用コイルの銅抵抗に起因する電圧成分に相当する電圧を生成する移相回路、およびこの移相回路の利得を調整する利得調整抵抗からなり、上記移相回路の出力電圧を上記利得調整抵抗を介して前記検出用コイルに帰還して前記検出用コイルの銅抵抗を打ち消す銅抵抗補償回路と
   を具備したことを特徴とする高周波発振型近接センサ。
2. 前記銅抵抗補償回路の利得調整抵抗は、前記検出用コイルの銅抵抗よりも十分に大きい値を有するものであって、
   前記移相回路は、前記検出コイルの発振角周波数に反比例するゲインが設定されたものである請求項１に記載の高周波発振型近接センサ。
3. 前記非線形増幅器は、入力電圧に応じて設定される増幅利得が互いに異なる複数の増幅器を並列に備え、これらの増幅器の出力を合成して前記検出用コイルに生起される発振電圧の振幅に応じて多段階に変化する増幅出力電圧を得ることで、該非線形増幅器と前記検出用コイルとがなす前記高周波発振回路に軟発振特性を付与するものである請求項１に記載の高周波発振型近接センサ。

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