JP4007956B2 - 検出スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、センサによって外部の物理量を検出し、検出した物理量の大きさに応じてオンオフを切り替える検出スイッチに関する。本発明は、例えば流体圧シリンダのピストン位置検出スイッチとして利用される。

従来より、流体圧シリンダにおいては、そのピストン位置を検出するために、ピストンに設けられた永久磁石の磁界によってオンオフ動作する検出スイッチが取り付けられている。そのような検出スイッチに用いるセンサとして、ＭＲ素子（磁気抵抗素子）がしばしば用いられる。近年においては、ＭＲ素子、増幅回路、および出力回路などを１つの集積回路としてまとめたＩＣ内蔵型のＭＲセンサが市販されている。

図６はＩＣ内蔵型のＭＲセンサを内蔵した従来の検出スイッチ８０の例を示す回路図である。

図６に示すように、一般的なＩＣ内蔵型のＭＲセンサＭ８１は、電源端子（プラス端子）Ａ、接地端子（マイナス端子）Ｇ、および出力端子Ｔの３つの端子を有する。電源端子Ａと接地端子Ｇとの間に直流電圧を加えることによって動作状態となり、磁気を検出したときに出力端子Ｔが「Ｌ」の状態となって接地端子Ｇに導通する。これがＭＲセンサＭ８１のオン状態である。

検出スイッチ８０は、２つの接続端子８３，８４を有し、一方の接続端子８３とＭＲセンサＭ８１の出力端子Ｔおよび電源端子Ａとの間に発光ダイオードＬＥＤ８１または電流制限用のダイオードＲＤ８１が接続されている。ＭＲセンサＭ８１がオンになると、電源Ｐ、負荷ＲＬ、接続端子８３、発光ダイオードＬＥＤ８１、出力端子Ｔ、接地端子Ｇ、および接続端子８４からなる閉じた回路が形成され、電流が流れて負荷ＲＬが動作し、発光ダイオードＬＥＤ８１が点灯する。

このように、ＩＣ内蔵型のＭＲセンサＭ８１を用いると、オペアンプのような増幅用の回路を別途必要とすることなく、発光ダイオードＬＥＤ８１などの最小限の周辺回路を追加することで２線式または２線１灯式の検出スイッチ８０を容易に実現することができる。このようなＭＲセンサＭ８１は、小型のパッケージに納められ、３つの端子のみを外部の回路に接続すればよいので、「３端子センサ」ということができる。

他方、流体圧シリンダの検出スイッチにおいては、ピストンの位置が目標位置に正確に到達したか否かを検出するとともに、目標位置ではないがその近辺に達しているか否かをも検出したいという要求がある。つまり、ピストンの位置を狭い範囲とそれを含む広い範囲との両方において互いに識別して検出したいとの要求がある。そのために、複数の検出スイッチを位置を互いにずらせて配置したり、１つの検出スイッチに複数のセンサを内蔵し、それらの出力を論理回路を介することによって狭い範囲と広い範囲との両方を区別して検出することが提案されている（特許文献１，２）。
実開平２−３７３０９号 実公平６−１２４８４号

さて、上に述べたように、複数の範囲または位置を検出するために、１つの検出スイッチに、上に述べたＩＣ内蔵型のＭＲセンサＭ８１のような３端子センサを複数用いることが考えられる。

しかし、３端子センサは、それを動作させるために待機状態であっても電流を流す必要があり、これが検出スイッチの漏れ電流となる。上に述べたＭＲセンサＭ８１の漏れ電流は１ｍＡ程度である。３端子センサを複数用いた場合には、その個数に比例して漏れ電流が増大することになる。

２線式の検出スイッチでは、検出スイッチがオフであっても負荷ＲＬに漏れ電流が流れ、これによって小さな負荷ＲＬでは誤作動することが起こりうる。そのため、漏れ電流が大きくなると、検出スイッチに適用可能な負荷の範囲が狭められることとなる。また、消費電流を低減する意味からも、漏れ電流はできるだけ小さくする必要がある。

本発明の課題は、複数の３端子センサ用いることによって複数の範囲または位置を検出することが可能であり、しかも漏れ電流の少ない検出スイッチを得ることである。

本発明に係る検出スイッチによると、電源端子、接地端子、および出力端子の３つの接続端子を有し外部の物理量の変化を検出して前記出力端子がオンオフ動作を行う３端子センサがケーシングに内蔵され、外部において電源および負荷を直列に接続して使用するように構成された検出スイッチであって、前記３端子センサとして、第１の３端子センサおよび第２の３端子センサの２つが設けられ、前記第１の３端子センサの検出範囲は前記第２の３端子センサの検出範囲を含むように構成されており、前記ケーシングの外部に引き出され外部において前記電源および負荷を接続するための２つの接続ラインが設けられ、前記第１の３端子センサは、前記２つの接続ラインに加えられた電圧によって常に動作可能状態となるようにその電源端子および接地端子が接続され、前記第２の３端子センサは、前記第１の３端子センサの出力端子がオンしたときに動作可能状態となるようにその電源端子および接地端子が接続される。

そして、前記第１の３端子センサは、前記２つの接続ラインに加えられた電圧によって常に動作可能状態となるようにその電源端子および接地端子が接続され、前記第２の３端子センサは、その電源端子が前記第１の３端子センサの電源端子と共通に接続され、その接地端子が前記第１の３端子センサの出力端子に接続され、これによって前記第１の３端子センサがオンしたときに動作可能状態となるように構成される。

好ましくは、前記第１の３端子センサがオンしたときに点灯する第１の表示灯と、前記第２の３端子センサがオンしたときに点灯する第２の表示灯とを有する。

また、前記第１の表示灯は、電圧降下素子を介して電圧が加わるように、前記第１の３端子センサの出力端子と前記接続ラインの一方との間に接続され、前記第２の表示灯は、前記第２の３端子センサの出力端子と前記接続ラインの一方との間に接続され、前記第２の３端子センサがオンしたときに、それによって前記第１の表示灯に加わる電圧が動作電圧以下に低下するように構成される。

本発明における「３端子センサ」は、センサまたはセンサ素子、および増幅回路、出力回路などを１つの集積回路としてパッケージに収納したもので、電源端子、接地端子、および出力端子の少なくとも３つの接続端子を有するセンサ部品をいう。電源端子と接地端子との間に電圧を加えることによって動作可能状態（動作状態）となり、外部の物理量の変化を検出することによって出力端子の電気的な接続状態が変化する。これら３つの接続端子の他に接続端子が設けられていてもよい。

本発明によると、複数の３端子センサを用いることによって複数の範囲または位置を検出することが可能であり、しかも漏れ電流の少ない検出スイッチを得ることができる。

〔第１の実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態に係る検出スイッチ１の回路図、図２は検出スイッチ１の外観を示す斜視図、図３は検出スイッチ１におけるセンサＭ１１，Ｍ１２の配置を示す上面図、図４はセンサＭ１１，１２の動作を説明するための図である。

図１において、検出スイッチ１は、ケーシング１１、２つのセンサＭ１１，１２、定電流ダイオードＲＤ１、黄色と緑色の２つの発光ダイオードＬＥＤ１１，１２、ダイオードＤ１、および接続端子となるリード線２１ａ，ｂからなる。リード線２１ａ，ｂには、電源Ｐおよび負荷ＲＬが直列に接続される。

ケーシング１１は、合成樹脂などを材料とし、流体圧シリンダのシリンダチューブの表面に沿って取り付けることができるような形状に形成されている。ケーシング１１には、必要に応じて、流体圧シリンダのシリンダチューブ、タイロッド、またはカバーなどに取り付けるための金具などが一体化される。

ケーシング１１の一端面からケーブル２１が引き出されている。ケーブル２１は、上に述べた２本のリード線２１ａ，ｂを有し、外部において電源Ｐおよび負荷ＲＬが直列に接続される。

センサＭ１１，Ｍ１２は、いずれも背景技術の項で述べたＩＣ内蔵型のＭＲセンサであり、磁界に応動してオンオフする。つまり、センサＭ１１，Ｍ１２は、電源端子Ａ、接地端子Ｇ、および出力端子Ｔの３つの端子を有する。電源端子Ａと接地端子Ｇとの間に直流電圧を加えることによって動作状態（動作可能状態）となり、磁気を検出したときに出力端子Ｔが「Ｌ」の状態となって接地端子Ｇに導通する。

これら２つのセンサＭ１１，Ｍ１２は、オンとなる磁界の強さ、つまり感度が互いに異なっている。一方のセンサＭ１１は２０ガウスの磁界によってオンし、他方のセンサＭ１２はそれよりも大きい４０ガウスの磁界になったときにオンする。つまり、センサＭ１１はセンサＭ１２に比べて感度が高い。これらセンサＭ１１，Ｍ１２の感度の違いによって、ピストン（磁石）を互いに異なる範囲で検出することができる。センサＭ１１，Ｍ１２による検出範囲については後で説明する。

さて、感度の高い方のセンサＭ１１は、その電源端子Ａが、定電流ダイオードＲＤ１を介してプラス側のリード線２１ａに接続され、その接地端子Ｇが、マイナス側のリード線２１ｂに接続されている。出力端子Ｔには、リード線２１ａから黄色の発光ダイオードＬＥＤ１１およびダイオードＤ１が順方向に直列に接続されている。

感度の低い方のセンサＭ１２は、その電源端子Ａは、感度の高い方のセンサＭ１１の電源端子Ａと共通に接続されているが、その接地端子Ｇは、感度の高い方のセンサＭ１１の出力端子Ｔに接続されている。また、出力端子Ｔには、リード線２１ａから緑色の発光ダイオードＬＥＤ１２が順方向に接続されている。

このように、感度の低い方のセンサＭ１２は、感度の高い方のセンサＭ１１がオンしない限り電源が供給されないように接続されており、感度の高い方のセンサＭ１１がオンしてその出力端子Ｔが「Ｌ」になったときにのみ、感度の低い方のセンサＭ１２に電源が供給されて待機状態（スタンバイ状態）となる。

定電流ダイオードＲＤ１は、センサＭ１１，Ｍ１２に流れ込む電流を制限するためのものである。ダイオードＤ１は、その順方向電圧の分だけ電圧降下を与えるためのものである。

図２および図３に示すように、センサＭ１１，Ｍ１２は、基板ＫＢ１の表裏に基板ＫＢ１を挟んでほぼ同じ位置になるように取り付けられている。基板ＫＢ１は、センサＭ１１，Ｍ１２が取り付けられた面が検出スイッチ１の検出面１３（図２における下面）に対して直角となるように配置され、ケーシング１１に収納されている。

検出スイッチ１は、検出面１３が流体圧シリンダのシリンダチューブの表面に接近して配置される。センサＭ１１，Ｍ１２は、シリンダチューブの内部を軸方向に移動するピストンに装着された永久磁石の磁界によって動作する。これら２つのセンサＭ１１，Ｍ１２は、ピストンの永久磁石からの磁気に対して互いに同じ条件となるように配置されている。したがって、ピストンが軸方向に移動してセンサＭ１１，Ｍ１２の位置に近づいてきたときに、感度の高い方のセンサＭ１１が先にオンし、さらにセンサＭ１１，Ｍ１２に近づいてほぼ真下にきたときにセンサＭ１２がオンする。

次に、センサＭ１１，Ｍ１２の検出範囲および磁界によるオンオフ動作について説明する。

図４（ａ）には、シリンダチューブＣＴ内において磁石が矢印Ｙの方向に移動し、位置ＡからセンサＭ１１，Ｍ１２の直下の位置Ｂに達し、さらに移動して位置Ｃに到る様子が示されている。

図４（ｂ）には、磁石の移動にともなってセンサＭ１１，Ｍ１２に与える磁界の強さが変化する様子が示されている。

図４（ｃ）には、磁石の各位置に応じてセンサＭ１１，Ｍ１２がオンオフ動作を行う様子および発光ダイオードＬＥＤ１１，１２の点灯の様子が示されている。

これらの図で分かるように、磁石が位置Ａよりも左側にあるときは、センサＭ１１，Ｍ１２はいずれもオフの状態である。このとき、感度の高い方のセンサＭ１１のみに電源が供給され、感度の低い方のセンサＭ１２には電源が供給されない。したがって、このときの漏れ電流は、感度の高い方のセンサＭ１１の漏れ電流のみである。

磁石が移動して位置Ａに達したときに、センサＭ１１が検知する磁界の強さは２０ガウスとなり、感度の高い方のセンサＭ１１がオンする。センサＭ１１がオンすると、電源Ｐから負荷ＲＬに電流が流れ、負荷ＲＬが動作する。これとともに、発光ダイオードＬＥＤ１１が黄色に点灯し、且つ、感度の低い方のセンサＭ１２にも電源が供給される。このとき、感度の低い方のセンサＭ１２に供給される電圧は電源Ｐよりも大幅に小さいので、また検出スイッチ１がオンした状態であるので、漏れ電流は問題とならない。

磁石がさらに移動して位置Ｂ１に達すると、磁界の強さは４０ガウスとなり、感度の低い方のセンサＭ１２もオンする。センサＭ１２がオンしても検出スイッチ１はオンの状態で変わらないが、発光ダイオードＬＥＤ１２が緑色に点灯する。また、センサＭ１２のオンによって、発光ダイオードＬＥＤ１１およびダイオードＤ１に加わる電圧が低下してそれらに電流が流れなくなり、発光ダイオードＬＥＤ１１は消灯する。この状態が、磁石が位置Ｂ３に達するまで継続する。

磁石が位置Ｂ３を越えると、感度の低い方のセンサＭ１２はオフし、感度の高い方のセンサＭ１１のみがオンの状態を維持する。これも検出スイッチ１がオンの状態である。磁石が位置Ｃを越えると、感度の高い方のセンサＭ１１もオフする。これによって検出スイッチ１はオフの状態となる。

上に述べたように、２つの感度の異なるセンサＭ１１，Ｍ１２によって、ピストン（磁石）の位置を狭い範囲と広い範囲との２種類の範囲を区別して検出することができる。点灯した発光ダイオードＬＥＤの色によって、ピストンのおよその位置を判断することができる。２つのセンサＭ１１，Ｍ１２を用いているにも係わらず、ピストンを検出していないときは感度の高い方のセンサＭ１１のみが待機状態となり、感度の低い方のセンサＭ１２には電源が供給されないので、漏れ電流がセンサ１個分であって少ない。

両方のセンサＭ１１，Ｍ１２がオンしたときに、感度の低い方のセンサＭ１２の発光ダイオードＬＥＤ１２のみが点灯し、感度の高い方のセンサＭ１１の発光ダイオードＬＥＤ１１は消灯するので、消費電力が節約される。

このように、センサＭ１１，Ｍ１２の感度を選定することによって、感度調整が不要で消費電流の少ない安価な２線２灯式の位置検出スイッチが得られる。
〔第２の実施形態〕
図５は本発明の第２の実施形態に係る検出スイッチ１Ｂの回路図である。

第２の実施形態の検出スイッチ１Ｂは、センサＭ１１，Ｍ１２および発光ダイオードＬＥＤ１１，１２の回路は第１の実施形態の検出スイッチ１と同じであるが、さらに種々の回路が追加されている。同じ部分については同一の符号を付して説明を省略する。

検出スイッチ１Ｂには、出力容量（出力電流）を大きくするためのスイッチングトランジスタＴＲ２２、サージ電圧を吸収するためのサージ吸収回路ＣＲ１，２、センサＭ１１，Ｍ１２に流れる電流を制限するための定電流ダイオードＲＤ２、電流の不足分を補うための回路ＣＲ３などが設けられている。

検出スイッチ１Ｂにおいても、上に述べた検出スイッチ１と同様に、ピストンの位置を狭い範囲と広い範囲との２種類の範囲を区別して検出することができ、しかも漏れ電流が少ない。２個のうち１個の発光ダイオードＬＥＤのみしか点灯しないので、消費電力が節約される。

上に述べた実施形態において、センサＭ１１，Ｍ１２の感度として、他の種々のものから選択することが可能である。２個のセンサＭ１１，Ｍ１２を設けたが、感度の異なる３個以上のセンサＭを設けてもよい。その場合に、感度の一番高いセンサＭの出力端子Ｔに他のセンサＭの接地端子Ｇを接続すればよい。これによって、全てのセンサＭがオフの場合の漏れ電流を、感度の一番高いセンサＭの漏れ電流のみとすることができる。

上に述べた実施形態において、感度の等しい２つのセンサＭを用いる場合には、２つのセンサＭを、基板ＫＢ１の表裏に同じ位置ではなく、検出面１３からの高さつまりピストンからの距離が異なるように取り付ければよい。

上に述べた実施形態では、センサＭ１１，Ｍ１２が磁気センサである場合を説明したが、これ以外の種々の物理量を検出する３端子センサを用いることができる。定電流ダイオードＲＤ１，２に代えて、種々のトランジスタや抵抗などの組み合わせ回路、その他の公知の定電流回路を用いてもよい。リード線２１ａ，ｂの回路にダイオードによるブリッジ回路などを挿入することにより、交流用の検出スイッチとすることも可能である。リード線２１ａ，ｂに代えて、電線などを接続するための端子やコネクタを用いてもよい。

その他、検出スイッチ１，１Ｂの回路構成、回路素子の種類および値、構造、形状、寸法、個数などは、本発明の趣旨に沿って種々変更することができる。

本発明の第１の実施形態に係る検出スイッチの回路図である。 検出スイッチ１の外観を示す斜視図である。 検出スイッチにおけるセンサの配置を示す上面図である。 センサの動作を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る検出スイッチの回路図である。 ＩＣ内蔵型のＭＲセンサを内蔵した従来の検出スイッチの回路図である。

符号の説明

１，１Ｂ 検出スイッチ
１１ ケーシング
２１ａ，２１ｂ 接続ライン
Ｍ１１ センサ（第１の３端子センサ）
Ｍ１２ センサ（第２の３端子センサ）
Ａ 電源端子
Ｔ 出力端子
Ｇ 接地端子
ＬＥＤ１１ 発光ダイオード（第１の表示灯）
ＬＥＤ１２ 発光ダイオード（第２の表示灯）
Ｐ 電源
ＲＬ 負荷

Claims (3)

1. 電源端子、接地端子、および出力端子の３つの接続端子を有し外部の物理量の変化を検出して前記出力端子がオンオフ動作を行う３端子センサがケーシングに内蔵され、外部において電源および負荷を直列に接続して使用するように構成された検出スイッチであって、
   前記３端子センサとして、第１の３端子センサおよび第２の３端子センサの２つが設けられ、
   前記第１の３端子センサの検出範囲は前記第２の３端子センサの検出範囲を含むように構成されており、
   前記ケーシングの外部に引き出され外部において前記電源および負荷を接続するための２つの接続ラインが設けられ、
   前記第１の３端子センサは、前記２つの接続ラインに加えられた電圧によって常に動作可能状態となるようにその電源端子および接地端子が接続され、
   前記第２の３端子センサは、その電源端子が前記第１の３端子センサの電源端子と共通に接続され、その接地端子が前記第１の３端子センサの出力端子に接続され、これによって前記第１の３端子センサがオンしたときに動作可能状態となるように構成され、
   てなることを特徴とする検出スイッチ。
2. 前記第１の３端子センサがオンしたときに点灯する第１の表示灯と、
   前記第２の３端子センサがオンしたときに点灯する第２の表示灯と、
   を有してなる請求項１記載の検出スイッチ。
3. 前記第１の表示灯は、電圧降下素子を介して電圧が加わるように、前記第１の３端子センサの出力端子と前記接続ラインの一方との間に接続され、
   前記第２の表示灯は、前記第２の３端子センサの出力端子と前記接続ラインの一方との間に接続され、
   前記第２の３端子センサがオンしたときに、それによって前記第１の表示灯に加わる電圧が動作電圧以下に低下するように構成されてなる、
   請求項２記載の検出スイッチ。

Images