JP3809632B2 - コイルの銅抵抗補償回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば高周波発振型近接センサに組み込まれて、高周波発振回路の一部を構成する検出用コイルの温度特性を補償するに好適なコイルの銅抵抗補償回路に関する。
【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。具体的には増幅器とコンデンサと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】
しかしながら上述したように増幅器とコンデンサとを用いて、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させる場合、該検出用コイルの銅抵抗Ｒcuの温度依存性を打ち消すに必要な電圧振幅を、検出用コイルに生起される発振振幅の角周波数ωの２乗（ω²）に反比例するものとして設定することが必要となる。この為、銅抵抗Ｒcuの温度依存性を確実に打ち消す上での回路設計が難しく、高周波発振型近接センサの動作特性の安定化を図ることが困難であった。
【０００５】
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、検出用コイルの温度依存特性を確実に補償することができ、例えば高周波発振型近接センサの動作特性の安定化を図ることのできるコイルの銅抵抗補償回路を提供することにある。
【０００６】
【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コイルの銅抵抗補償回路は、一端を共通接続して縒り合わせた２本のコイル導体からなり、その一方を共振回路用コイルとすると共に、他方を銅抵抗補償用コイルとした２糸コイルの一端に生起される発振出力電圧を取り出すバッファと、このバッファにより取り出された発振出力電圧の位相を所定角度回転させて前記銅抵抗補償用コイルに帰還して前記２糸コイルの銅抵抗成分を打ち消す移相回路とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
好ましくは、前記移相回路は、該移相回路と直列に、前記バッファにより取り出された発振出力電圧の前記銅抵抗補償用コイルへの帰還量を規定する抵抗を備えたものとして実現される。更に前記移相回路は、前記バッファにより取り出された発振出力電圧に対する位相回転角を調整する回転位相角調整手段を備えたものとして実現される。
【０００８】
【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コイルの銅抵抗補償回路について説明する。
図１は銅抵抗補償回路を備えて構成される高周波発振型近接センサの要部概略構成図であり、１は高周波発振回路の一部を構成する検出用コイルである。この検出用コイル１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ものからなり、その一方のコイルＬ１を該コイルＬ１に並列に接続されたコンデンサＣとの間でＬＣ並列共振器を形成する共振回路用とし、他方のコイルＬ２を銅抵抗補償用として用いるものとなっている。
【０００９】
しかしてこの検出用コイル１は、図示しない増幅器により発振駆動される。ちなみに検出用コイル１を発振駆動する増幅器は、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を自励発振させる役割を担う。
【００１０】
さて前記検出用コイル１の一端には、該検出用コイル１に生起された発振電圧を取り込むバッファ３が設けられており、このバッファ３の出力は移相回路５から利得調整用抵抗６を介して前記検出用コイル１の銅抵抗補償用のコイルＬ２に加えられている。この移相回路５は、例えば演算増幅器５ａを主体として構成され、その反転入力端と非反転入力端とにそれぞれ与えられる前記バッファ３からの出力電圧（発振電圧）に位相差を与えることで、該出力電圧の位相を所定角度だけ回転させる（移相する）ものである。この移相角は、非反転入力端に接続された抵抗ＲcontとコンデンサＣとの回路定数により決定され、抵抗Ｒcontを可変することで調整される。そしてこの移相回路５により所定の位相回転が与えられた発振電圧は、利得調整用抵抗６を介してその帰還量が調整されて銅抵抗補償用のコイルＬ２に加えられる。
【００１１】
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２(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２(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を前述したように共振回路用とし、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２(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。
【００１２】
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。
【００１３】
前述したバッファ３および移相回路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を等価的に打ち消して（消去して）いる。この結果、検出用コイル１のＱが大幅に改善され、また銅抵抗Ｒcuに起因する温度依存性を除去するものとなっている。そして検出用コイル１に生起される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っている。更には近接センサによる物体検出距離を伸ばすことが可能となる。
【００１４】
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３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。従って検出用コイル１を発振駆動する増幅器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。
【００１５】
ここで前述したように検出用コイルの銅抵抗Ｒcuを打ち消す場合におけるバッファ３の役割について考察してみると、この場合には図３(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５から流れ、利得調整用の抵抗（Ｒ）６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３から帰還すべき電圧ｇＶは、
ｇＶ ＝ (ｉ1＋ｉ2)・Ｒcu＋ｉ2・(Ｒcu＋Ｒ) …(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６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。
【００１６】
これに対して、仮に前述した移相回路５に代えてバッファ３からの出力電圧をコンデンサを用いて位相回転して検出用コイル１に加えるものとすると、図３(ｂ)に示すように該バッファ３から帰還すべき電圧ｇＶは、
ｇＶ ＝ (ｉ1＋ｉ2)・Ｒcu＋ｉ2・(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＜＜Ｒ）、バッファ３に求められる利得は近似的に
ｇ ＝ １／ω²ＬＣ
となる。
【００１７】
このことは、バッファ３の出力電圧を単にコンデンサ５を用いて位相回転させて検出用コイル１に帰還しようとした場合、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。これに対して移相回路５を用いてバッファ３の出力電圧の位相を回転させる場合には、その補償に必要される電圧振幅がωに反比例することになる。従って移相回路５を用いて検出用コイル１に帰還する振幅電圧の位相を回転させて銅抵抗Ｒcuを打ち消すようにすれば、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。
【００１８】
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６（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。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、２糸コイルの一端に生起される発振出力電圧をバッファを介して取り出し、このバッファにより取り出された発振出力電圧の位相を移相回路を介して所定角度回転させて前記銅抵抗補償用コイルに帰還して前記２糸コイルの銅抵抗成分を打ち消すので、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、コイルに含まれる銅抵抗を安定に、しかも効果的に補償することができ、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るコイルの銅抵抗補償回路の要部概略構成図。
【図２】２糸コイルの等価回路を示す図。
【図３】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 ２糸コイル（検出用コイル）
３ バッファ
５ 移相回路
６ 利得調整用抵抗

Claims (3)

1. 一端を共通接続して縒り合わせた２本のコイル導体からなり、その一方を共振回路用コイルとすると共に、他方を銅抵抗補償用コイルとした２糸コイルと、
   この２糸コイルの一端に生起される発振出力電圧を取り出すバッファと、
   このバッファにより取り出された発振出力電圧の位相を所定角度回転させて前記銅抵抗補償用コイルに帰還して前記２糸コイルの銅抵抗成分を打ち消す移相回路と
   を具備したことを特徴とするコイルの銅抵抗補償回路。
2. 前記移相回路は、該移相回路と直列に、前記バッファにより取り出された発振出力電圧の前記銅抵抗補償用コイルへの帰還量を規定する抵抗を備えたものである請求項１に記載のコイルの銅抵抗補償回路。
3. 前記移相回路は、前記バッファにより取り出された発振出力電圧に対する位相回転角を調整する回転位相角調整手段を備えてなる請求項１に記載のコイルの銅抵抗補償回路。

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