JP4080369B2 - マイクロ波レベルスイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波送波器とマイクロ波受波器とを対向配置し、マイクロ波送波器からマイクロ波受波器へのマイクロ波の遮断もしくは透過により被検出物体のレベルを検知するマイクロ波レベルスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロ波レベルスイッチとして、例えば図６に示すものがある。図６は、このマイクロ波レベルスイッチを示すブロック図である。同図において、送波器１０はマイクロ波発振器１１および送波器アンテナ１２から構成され、マイクロ波発振器１１からの発振出力が送波器アンテナ１２より出力される。受波器２０は、受波器アンテナ２１、検波回路８０、可変ゲインアンプ８１、ゲイン設定回路８２、レベル判定回路８３および出力ドライブ回路５０から構成される。
【０００３】
このような構成のマイクロ波レベルスイッチでは、まず、送波器１０から出力されたマイクロ波は受波器２０の受波器アンテナ２１により受信され、検波回路８０内の検波ダイオードにより検波される。検波された検波信号は可変ゲインアンプ８１により増幅された後にレベル判定回路８３に入力され、所定値と比較される。
【０００４】
ここで、送波器１０と受波器２０との間に被検出物体が無い時は、送波器１０からのマイクロ波は遮断されずに受波器２０に受信されることから検波信号の受信電力は所定値よりも大きくなり、一方、送波器１０と受波器２０との間に被検出物体が存在する時は、送波器１０からのマイクロ波が遮断され検波信号の受信電力が所定値より小さくなる。従って、例えば、送波器１０と受波器２０とを所蔵容器の所定の高さに対向配置することにより、被検出物体の所蔵量（レベル）を検知することができる。そして、その結果を出力ドライブ回路５０に出力して表示装置等を駆動する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマイクロ波レベルスイッチにあっては、受波器２０での受信電力の大きさが、送波器１０からの距離の二乗に反比例して小さくなるので使用できる距離範囲を大きくすると、判定すべき受信電力範囲が広がり、可変ゲインアンプ８１のゲイン調整を広い範囲で行うことが必要になる。更に、マイクロ波の受信電力が小さくなると、検波回路８０内の検波ダイオードの二乗検波特性により検波出力信号が急激に低下する。このため、可変ゲインアンプ８１のゲイン調整範囲を更に広げなければならない。
【０００６】
例えば、動作距離を０．３ｍから３０ｍとすると、送波器１０の出力を一定とすると、０．３ｍのときと比較して３０ｍのときの受信電力は約０．０００１倍（−４０ｄＢ）となる。それに伴い、受信電力が約０．０００１倍（−４０ｄＢ）になると、二乗検波特性により検波出力信号は約０．００００００１倍（−８０ｄＢ）と非常に小さな電圧となる。その結果、可変ゲインアンプ８１のゲイン調整範囲は最低でも８０ｄＢ必要になるが、このような広い範囲を実現するためには、複数段のアンプを用い、それぞれの増幅段でゲイン調整できるようにしなければならず、回路的にも複雑になる。
【０００７】
また、受信電力がある程度まで小さくなると、検波出力信号がノイズレベルに埋もれるようになるので、そのような低受信電力の環境では使用できない。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、送波器と受波器との距離が離れても、ゲイン調整回路を複雑にすることなく、マイクロ波の透過と遮断のいずれかの判定を正確に行うことが可能なマイクロ波レベルスイッチを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、マイクロ波送波器とマイクロ波受波器とを対向配置し、マイクロ波送波器からマイクロ波受波器へのマイクロ波の遮断もしくは透過により被検出物体のレベルを検知するマイクロ波レベルスイッチにおいて、
前記マイクロ波送波器が、マイクロ波発振器からの発振信号をアンテナからマイクロ波として前記マイクロ波受波器に向けて発射するとともに、
前記マイクロ波受波器が、
マイクロ波送波器からのマイクロ波を受信するアンテナと、
発振回路を有し、アンテナで受信した前記マイクロ波送波器からのマイクロ波の周波数との間で所定の周波数差となる周波数の信号を出力するドプラーモジュールと、
ドプラーモジュールが出力する信号を対数圧縮し増幅する対数増幅器を備えるログアンプモジュールと、
ログアンプモジュールの出力信号電圧と設定電圧との大小を比較し、比較結果に基づいてマイクロ波の透過と遮断のいずれかを判定し、判定結果により出力ドライブ回路の起動を制御するスイッチ手段と
を備えることを特徴とするマイクロ波レベルスイッチを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るマイクロ波レベルスイッチの実施形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図示のように、マイクロ波レベルスイッチは送波器１０と受波器２０とを対向配置して構成されている。送波器１０はマイクロ波発振器１１と、送波器アンテナ１２とにより構成され、マイクロ波発振器１１からの発振出力が送波器アンテナ１２より発射される。受波器２０は受波器アンテナ２１、ドプラーモジュール２２、ログアンプモジュール３０、レベル比較回路４０、判定レベル設定回路４１および出力ドライブ回路５０から構成されている。ここで、ドプラーモジュール２２、ログアンプモジュール３０、スイッチ手段としてのレベル比較回路４０および判定レベル設定回路４１が、マイクロ波レベルスイッチの主要部を構成している。
【００１２】
ドプラーモジュール２２は、自身に内蔵されている発振回路からの発振出力信号と、送波器１０から発射され受波器アンテナ２１で受信した受信マイクロ波とを、同じくドプラーモジュール２２に内蔵されているミキシング回路によりミキシングし、発振出力信号の周波数と受信マイクロ波の周波数との差の周波数を有する信号（以下、「中間周波信号」という）を出力するように機能する。この中間周波信号はログアンプモジュール３０の後述されるフィルタ回路に与えられ、不必要な周波数帯域の成分がカットされる。
【００１３】
ログアンプモジュール３０は、図２に示すように、外部からのノイズの侵入を防ぐフィルタ回路３１、３３、３４と、ログアンプ回路３２とにより構成されている。ログアンプモジュール３０の出力信号線や電源供給線は、外来電波のアンテナとなりうる。そのため、フィルタ回路３３およびフィルタ回路３４により出力信号線や電源供給線からの高周波電圧の流入を阻止する。更に、このログアンプモジュール３０は、モジュール全体が金属ケース等のシールドケースに収納され、電磁的および静電的にシールドされている。
【００１４】
このログアンプモジュール３０では、ドプラーモジュール３０が出力する中間周波信号を、フィルタ回路３１に取り込んで不要な周波数帯域の成分をカットする。また、ログアンプモジュール３０は不要成分をカットして得られた信号をログアンプ回路３２で対数増幅し、対数増幅したログアンプ出力信号を低減通過型のフィルタ回路３３を通じて出力するように機能する。
【００１５】
レベル比較回路４０は判定レベル設定回路４１で設定されている比較電圧と、ログアンプモジュール３０からのログアンプ出力信号電圧との大小比較を行うように機能する。この比較結果に基づいて、リレーなどの出力ドライブ回路５０がドライブされる。この判定レベル設定回路４１で設定可能な比較電圧の値は、この判定レベル設定回路４１内に内蔵されている可変抵抗器などにより、容易に変更できるようになっている。
【００１６】
次に動作を説明する。先ず、送波器１０の送波器アンテナ１２からマイクロ波が出力される。ここで、送波器１０のマイクロ波発振器１１の発振周波数は、受波器２０のドプラーモジュール２２内の発振回路の発振周波数と所定の周波数差になるように、予め設定されている。
【００１７】
そして、受波器２０は、送波器１０からのマイクロ波を受波器アンテナ２１を介して受信する。ドプラーモジュール２２は、受信マイクロ波をドプラーモジュール２２内の発振回路とミキシング回路とによりヘテロダイン検波し、ミキシング回路の出力により中間周波数信号を得る。
【００１８】
中間周波信号の大きさは、受信アンテナ２１の受信マイクロ波の電力に比例するので、受信マイクロ波を直接検波回路により検波する方法に比べて、受信電力が小さい領域において極端に小さくなることがない。この結果、より小さい受信電力までノイズに埋もれないで扱えるようになるので、マイクロ波の受信判定をより高感度にすることができる。
【００１９】
また、ログアンプ回路３２は、この中間周波信号を対数増幅しているので、このログアンプ回路３２の出力信号電圧の大きさは、中間周波信号の大きさを対数圧縮しながら増幅したものとなる。このため、中間周波信号の非常に小さいレベルから大きいレベルまでの範囲を、このログアンプ回路３２の出力電圧で扱うことができるようになる。従って、送波器１０と受波器２０との間におけるマイクロ波の透過と遮断のいずれかを判定するのに必要となる最小の受信電力を小さくでき、レベルスイッチとしての動作感度が向上する。
【００２０】
さらに、レベル比較回路４０は判定レベル設定回路４１で設定された比較電圧と、ログアンプモジュール３０からの出力信号電圧との大小比較を行い、その比較結果に基づいてマイクロ波の透過と遮断のいずれかを判定し、その判定結果により出力ドライブ回路５０の起動を制御するスイッチ手段として機能する。このため、出力ドライブ回路５０が動作することが可能な領域として、中間周波信号の非常に小さいレベルから大きいレベルまでの広い範囲となり、判定レベル設定回路４１を少ない回路規模で実現できる。また、実際の使用に際し、従来技術では複数段のアンプを用い、それぞれの段でゲインを調整するためゲイン設定が複雑になるのに対し、本発明ではこのゲイン設定が簡素で容易になる。
【００２１】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態を示すブロック図である。この第２の実施形態は、第１の実施形態のレベル比較回路４０と判定レベル設定回路４１の代わりに、Ａ／Ｄコンバータ６０、スイッチ手段としての機能を合わせ持つマイコン６１、設定回路６２および表示回路６８を設けたものである。ここで、Ａ／Ｄコンバータ６０、マイコン６１、設定回路６２はドプラーモジュール２２およびログアンプモジュールとともに、マイコン波レベルスイッチを構成している。以下、第２の実施形態について、変更された部分のみを説明する。
【００２２】
Ａ／Ｄコンバータ６０にはログアンプモジュール３０からの出力信号が与えられており、Ａ／Ｄコンバータ６０のデジタル変換出力はマイコン６１の一つの入力ポートに接続されている。設定回路６２はマイコン６１の他の一つの入力ポートに接続されている。また、マイコン６１の出力ポートには出力ドライブ回路５０と表示回路６３が接続されている。
【００２３】
Ａ／Ｄコンバータ６０は、ログアンプモジュール３０からのアナログの出力信号をデジタル変換して、マイコン６１の一つの入力ポートに入力するように機能する。設定回路６２は、上昇スイッチおよび下降スイッチを持ち、これらが押下されることにより、後述されるログアンプ比較判定データの値の変更をマイコン６１の他の一つの入力ポートに入力するように機能する。
【００２４】
このマイコン６１は、ログアンプ比較判定データを格納するためのＥＥＰＲＯＭ（不揮発メモリ）を備える。また、マイコン６１は、上昇スイッチや下降スイッチが押下されると、それぞれＥＥＰＲＯＭ内に格納されたログアンプ比較判定データの値をそれぞれインクリメントまたはデクリメントし、それぞれ表示回路６３に表示させる機能を持つ。さらに、マイコン６１はそのログアンプ比較判定データの値とログアンプモジュール３０の出力値との大小を比較するように機能する。出力ドライブ回路５０はその比較演算結果に応じて起動され、このときマイコン６１はマイクロ波の透過と遮断のいずれかに切り換えるスイッチ手段として機能する。
【００２５】
次に、図４に示すフローチャートを参照しながら動作を説明する。先ず、マイクロ波レベルスイッチの電源が投入されると、マイコン６１はＥＥＰＲＯＭ内に格納されているログアンプ比較判定データの値を読み込み、その値を表示回路６３に表示する。次に、設定回路６２の上昇スイッチあるいは下降スイッチを押下してマイコン６１に、押下られた設定スイッチに定義されている内容に応じてＥＥＰＲＯＭに格納されているログアンプ比較判定データの値を変更する処理（ステップＳ１１）を実行させる。これらのスイッチのうち上昇スイッチが押下された場合には、ＥＥＰＲＯＭ内に格納されているログアンプ比較判定データの値をインクリメントする。これに対し、下降スイッチが押下された場合には、ＥＥＰＲＯＭ内に格納されているログアンプ比較判定データの値をデクリメントする。
【００２６】
次に、このようにインクリメントあるいはデクリメントされたログアンプ比較判定データの値を、マイコン６１は表示回路６３に表示させるとともに、その値をＥＥＰＲＯＭ内に格納して（ステップＳ１２）、スイッチ押下処理を終了する。
【００２７】
次に、出力ドライブ回路５０の出力ドライブ処理について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。この出力ドライブ処理は、通常非常に短い時間間隔で起動され、処理される。マイコン６１は出力ドライブ処理要求を検知すると出力ドライブ処理を起動し、Ａ／Ｄコンバータ６０を介してログアンプモジュール３０の出力信号を入力する。このとき、そのログアンプ出力信号電圧はＡ／Ｄコンバータ６０でＡ／Ｄ変換され、マイコン６１に取り込まれる（ステップＳ２１）。次に、マイコン６１はこうして取り込まれたログアンプ出力値と、ＥＥＰＲＯＭ内に格納されているログアンプ比較判定データの値との大小を比較する（ステップＳ２２）。そして、この大小比較結果に応じて、前記マイクロ波の透過または遮断のいずれかを判定し、リレーなどの出力ドライブ回路５０を駆動制御する（ステップＳ２３）。
【００２８】
なお、上記には、この出力ドライブ処理において、大小比較結果に基づいて即ドライブ回路５０を動作させる例を示したが、ログアンプ出力値がログアンプ比較判定データの値を一定時間または一定回数連続して超えたとき、あるいは連続的に下回ったときに初めて出力ドライブ回路５０の駆動状態を変えることにより、ドライブ回路５０を遅延させて動作させる構成としてもよい。これにより、出力ドライブ回路５０の瞬間的な変化を抑えられるので、ドライブ回路５０の駆動制御を正確に安定して行うことができる。
【００２９】
このように、本発明は各実施形態に示すように、ドプラーモジュール２２を構成するミキシング回路を、本来のドプラーモジュールとして使用するのではなく、送波器１０からのマイクロ波の周波数と受波器２０のドプラーモジュール２２の発振周波数との周波数差を得て、すなわちドプラーモジュール２２のミキシング回路によりヘテロダイン検波を行い、中間周波信号を得るようにしたため、マイクロ波の受信電力が小さくなっても、それに比例して中間周波数信号が小さくなるだけであり、増幅器のゲイン調整範囲を従来のものと比較して狭くすることができるようになる。
【００３０】
また、中間周波信号を増幅する回路あるいは中間周波信号を検波して得られる信号を増幅する回路に対数増幅器を使用し、対数増幅器の出力の大きさを電圧比較器により判定するように構成したことで、増幅器のゲイン調整機構を持たなくとも、マイクロ波の透過と遮断のいずれかを判定することに関し、受信電力範囲を十分に大きくしても問題なく扱えるようになるという効果もある。
【００３１】
さらに、ヘテロダイン検波を行うことにより、マイクロ波の受信電力が小さくなると、それに比例して中間周波信号が小さくなるだけであるため、透過と遮断のいずれかを判定するのに必要な最小の受信電力が小さくなり、レベルスイッチとしての動作感度を向上させることができるという効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、送波器と受波器との距離が離れても、ゲイン調整回路を複雑にすることなく、マイクロ波の透過と遮断のいずれかの判定を正確に行うことが可能なマイクロ波レベルスイッチが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるマイクロ波レベルスイッチを示すブロック図である。
【図２】図１におけるログアンプモジュールの詳細を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態によるマイクロ波レベルスイッチを示すブロック図である。
【図４】図３における設定回路によるログアンプ比較データの設定手順を示すフローチャートである。
【図５】図３における出力ドライブ回路の動作の流れを示すフローチャートである。
【図６】従来のマイクロ波レベルスイッチを示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 送波器
１１ マイクロ波発振器
１２ 送波器アンテナ
２０ 受波器
２１ 受波器アンテナ
２２ ドプラーモジュール
３０ ログアンプモジュール
３１、３３、３４ フィルタ回路
３２ ログアンプ回路
４０ レベル比較回路（スイッチ手段）
４１ 判定レベル設定回路
５０ 出力ドライブ回路
６１ マイコン（スイッチ手段）
６２ 設定回路

Claims (3)

1. マイクロ波送波器とマイクロ波受波器とを対向配置し、マイクロ波送波器からマイクロ波受波器へのマイクロ波の遮断もしくは透過により被検出物体のレベルを検知するマイクロ波レベルスイッチにおいて、
   前記マイクロ波送波器が、マイクロ波発振器からの発振信号をアンテナからマイクロ波として前記マイクロ波受波器に向けて発射するとともに、
   前記マイクロ波受波器が、
   マイクロ波送波器からのマイクロ波を受信するアンテナと、
   発振回路を有し、アンテナで受信した前記マイクロ波送波器からのマイクロ波の周波数との間で所定の周波数差となる周波数の信号を出力するドプラーモジュールと、
   ドプラーモジュールが出力する信号を対数圧縮し増幅する対数増幅器を備えるログアンプモジュールと、
   ログアンプモジュールの出力信号電圧と設定電圧との大小を比較し、比較結果に基づいてマイクロ波の透過と遮断のいずれかを判定し、判定結果により出力ドライブ回路の起動を制御するスイッチ手段と
   を備えることを特徴とするマイクロ波レベルスイッチ。
2. 前記ログアンプモジュールが、シールドケース内に収納されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波レベルスイッチ。
3. 前記ログアンプモジュールと外部回路とを接続する配線の途中に、ノイズ侵入防止用のフィルタ回路が接続されていることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロ波レベルスイッチ。

Images