JP4156502B2

JP4156502B2 - 感知センサー

Info

Publication number: JP4156502B2
Application number: JP2003404915A
Authority: JP
Inventors: 公徳久木留
Original assignee: Taiyo Ltd
Current assignee: Taiyo Ltd
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-12-03
Also published as: JP2005166505A

Description

本発明は、外部の物理量の変化を感知してオンオフ動作を行って信号を出力する感知センサーに関し、例えば流体圧シリンダにおけるピストン位置の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、検出スイッチが取り付けられている（特許文献１）。多くの自動化機械においては、このような流体圧シリンダおよび検出スイッチが高密度に実装されている。例えば、自動車の溶接ラインに設置されるクランプ固定装置においては、同じような動作を行う検出スイッチ付きの流体圧シリンダが複数台設置され、それぞれの流体圧シリンダに、前進端、後退端、中間停止位置、またはクランプ確認位置などの検出のために、多数の検出スイッチが設けられている。

このように、狭い場所に多数の流体圧シリンダおよび検出スイッチが設けられるので、機械装置の新設時において、または機械装置にトラブルが発生したとき、または機械装置のメンテナンスを行うときなどに、それら流体圧シリンダおよび検出スイッチをチェックしまたは動作確認を行うのに多くの時間と労力を要する。

そのため、従来において、例えば、検出スイッチに負荷を接続することなく電源を誤って直接に接続してしまい、検出スイッチがオンしたときに過大な電流が流れて検出スイッチを損傷しまたは破壊してしまうことがしばしばあった。

また、流体圧シリンダを取り付けた時点で、その動作を確認し、またはストロ−ク位置を調整したり確認したいことがしばしばある。その場合に、検出スイッチの配線が未だ行われていなかったり、機械装置の制御盤の配線または調整が完了していない場合が多く、そのため検出スイッチに表示灯が設けられていてもその表示灯が正規に動作しないことが多い。

そのため、検出スイッチのための電源と仮の負荷を準備して、それらを検出スイッチに仮接続してからテストしまたは調整を行うという面倒な作業をする必要があり、その作業に多くの時間を要している。また、その場合において、誤って電源を検出スイッチに直接に接続して検出スイッチを損傷しまたは破壊してしまう危険性があった。
実開平２−３７３０９

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、感知センサーに負荷を接続することなく電源を直接に接続した場合でも損傷することのない感知センサーを提供することを目的とする。

本発明に係る感知センサーは、外部の物理量の変化を感知してオンオフ動作を行うセンサー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感知センサーであって、前記センサーのオンオフ動作に応じてオンオフするようにスイッチング回路が接続されて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つの接続ラインと、前記スイッチング回路に接続され、前記負荷を介することなく前記電源が前記２つの接続ラインに直接に接続された場合において前記スイッチング回路を損傷しないように電流を制限する電流制限回路と、を有する。

より詳しくは、センサーのオン動作に応じてベース電流が流れてオンするように接続されたスイッチングトランジスタと、前記スイッチングトランジスタに流れるコレクタ電流に応じてバイアス電圧を発生するように接続されたバイアス抵抗と、前記バイアス抵抗に発生する前記バイアス電圧が所定の値を越えたときにオンし且つ当該オンによって前記スイッチングトランジスタのベース電流をバイパスさせるように接続されたバイパス用トランジスタとを有し、前記バイパス用トランジスタは、前記負荷を介することなく前記電源が前記２つの接続ラインに直接に接続された場合において、前記スイッチングトランジスタを損傷しないように当該スイッチングトランジスタのコレクタ電流を制限するように動作する。

好ましくは、前記スイッチングトランジスタのオンオフ動作に応じてオンオフする表示灯が設けられる。

コレクタ電流は、実質的にエミッタ電流と等しいので、「エミッタ電流」と読み代えてもよい。すなわち、バイアス抵抗は、スイッチングトランジスタに実質的に流れる電流に応じてバイアス電圧を発生すればよく、スイッチングトランジスタのコレクタ回路、エミッタ回路、その他の回路に接続することが可能である。

本発明によると、感知センサーに負荷を接続することなく電源を直接に接続した場合でも、感知センサーは損傷することがない。したがって、検出スイッチに電源を直接に接続して動作確認を行うことが可能であり、機械装置や流体圧シリンダの調整や動作確認を行うことが容易となる。

特に、スイッチング回路のオンオフ動作に応じてオンオフする表示灯を設けた場合には、検出スイッチに電源を直接に接続することによって、機械装置の動作状態を容易に確認することができる。

図１は本発明に係る第１の実施形態の検出スイッチ１の回路図、図２は検出スイッチ１の外観の例を示す斜視図である。

図１および図２において、検出スイッチ１は、ケーシング１１、センサーＳＥ、トランジスタＱ１，Ｑ２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、発光ダイオードＬＥＤ１、およびケーブル２１から構成される。

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、２本のリード線２１ａ，ｂを有し、外部において電源ＰＳおよび負荷ＲＬが直列に接続される。リード線２１ａ，ｂは、本発明における「接続ライン」に相当する。

センサーＳＥは、外部の物理量の変化を感知してオンオフ動作を行うものであり、本実施形態においては、センサーＳＥとしてリードスイッチが用いられ、流体圧シリンダのピストンに装着される永久磁石の磁界によりオンする。センサーＳＥには、電流制限のための抵抗Ｒ１が直列に接続されている。抵抗Ｒ１には、本実施形態では１０キロオームのものが用いられる。

トランジスタＱ１は、そのコレクタＣが、発光ダイオードＬＥＤ１を介して一方のリード線２１ａに接続され、そのエミッタＥが、抵抗Ｒ２を介して他方のリード線２１ｂに接続されている。トランジスタＱ１は、センサーＳＥのオン動作に応じてベース電流が流れてオンするように接続されており、スイッチングトランジスタとして動作する。

すなわち、トランジスタＱ１のベースＢには、上に述べた抵抗Ｒ１の一方の電極が接続されており、エミッタＥには抵抗Ｒ２が接続されている。抵抗Ｒ２は、エミッタＥに流れる電流（コレクタＣに流れる電流）に応じてバイアス電圧Ｖｂを発生する。抵抗Ｒ２には、本実施形態では３０オームのものが用いられる。抵抗Ｒ２は本発明における「バイアス抵抗」に相当する。

トランジスタＱ２は、そのベースＢがトランジスタＱ１のエミッタＥに接続され、コレクタＣがトランジスタＱ１のベースＢに接続されている。トランジスタＱ２は、抵抗Ｒ２に発生するバイアス電圧ＶｂがトランジスタＱ２の規定ベース電圧を越えたときにオンする。トランジスタＱ２のオンによって、トランジスタＱ１のベースＢとリード線２１ｂとの間を短絡させ、これによってベースＢに流れるべき電流をバイパスさせる。トランジスタＱ２は、本発明における「バイパス用トランジスタ」に相当する。また、トランジスタＱ２および抵抗Ｒ２が本発明における「電流制限回路」に相当する。

発光ダイオードＬＥＤ１は、検出スイッチ１のオンオフの動作状態を表示するものであり、トランジスタＱ１がオンしてコレクタ電流が流れたときに発光する。

次に、検出スイッチ１の動作について説明する。

まず、図１に示すように、２つのリード線２１ａ，ｂに電源ＰＳおよび負荷ＲＬが直列に接続された状態での動作を説明する。

センサーＳＥがオフしているときは、トランジスタＱ１にベース電流が流れないので、トランジスタＱ１，Ｑ２はともにオフである。

センサーＳＥがオンすると、トランジスタＱ１にベース電流が流れる。これによってトランジスタＱ１はオンし、コレクタ電流（エミッタ電流）が流れ、その電流によって負荷ＲＬが動作し、発光ダイオードＬＥＤ１が点灯する。

そのときに、抵抗Ｒ２の両端には、エミッタ電流Ｉｅによって、
Ｖｂ＝Ｉｅ×Ｒ２
で示されるバイアス電圧Ｖｂが発生する。

例えば、電源ＰＳが１００ボルト、負荷ＲＬの定格電流が１０ｍＡであるとすると、
エミッタ電流Ｉｅはほぼ１０ｍＡとなるので、バイアス電圧Ｖｂは、
Ｖｂ＝１０ｍＡ×３０Ω
＝０．３ボルト
となる。

このバイアス電圧ＶｂがトランジスタＱ２の規定ベース電圧を越えると、トランジスタＱ２がオンする。しかし、通常、そのような規定ベース電圧は０．６ボルト程度であり、上に示した状態ではトランジスタＱ２はオンしない。したがって、電源ＰＳ、負荷ＲＬ、および検出スイッチ１が正常に動作している限りにおいて、センサーＳＥのオンオフに応じてトランジスタＱ１のみがオンオフ動作を行い、トランジスタＱ２はオンすることはない。

なお、上に述べたバイアス電圧Ｖｂ、トランジスタＱ１のコレクタエミッタ間電圧、および発光ダイオードＬＥＤ１の電圧によって、リード線２１ａ，ｂの間には約５ボルト程度の電圧が発生する。この電圧は、負荷ＲＬに対しては検出スイッチ１による電圧降下として作用し、その分だけ負荷ＲＬに加わる電圧が低下するが、通常の使用において何ら問題ない値である。

次に、負荷ＲＬを接続することなく、電源ＰＳをリード線２１ａ，ｂに直接に接続した場合について説明する。この場合は、図１において、リード線２１ａ，ｂの間に常に１００ボルトが加わった状態となる。

センサーＳＥがオンすると、センサーＳＥに電流が流れ、負荷ＲＬがある場合と同様にトランジスタＱ１にベース電流が流れ、トランジスタＱ１はオンし、コレクタ電流が流れ、発光ダイオードＬＥＤ１が点灯する。

さて、センサーＳＥに流れる電流Ｉｓは、
Ｉｓ＝１００ボルト／１０ｋΩ
＝１０ｍＡ
となる。電流Ｉｓの一部がトランジスタＱ１のベースＢに流れる。

トランジスタＱ２はベース電圧が０．６ボルトになるとオンするので、抵抗Ｒ２の両端のバイアス電圧Ｖｂは、０．６ボルトを越えることができない。

つまり、抵抗Ｒ２に流れる電流の最大値Ｉｅｍａｘは、
Ｉｅｍａｘ＝０．６ボルト／３０Ω
＝２０ｍＡ
となる。このとき、トランジスタＱ１のベース電流Ｉｂは、トランジスタＱ１の増幅率（ｈ_FE）を１００とすると、
Ｉｂ＝２０ｍＡ／１００
＝０．２ｍＡ
となる。したがって、そのときにトランジスタＱ２に流れるコレクタ電流Ｉ２ｃは、
Ｉ２ｃ＝Ｉｓ−０．２ｍＡ
＝１０ｍＡ−０．２ｍＡ
＝９．８ｍＡ
となる。

検出スイッチ１に流れる電流、つまり電源ＰＳから流れ出る電流ＩＬは、
ＩＬ＝Ｉｅ＋Ｉ２ｃ
＝２０ｍＡ＋１０ｍＡ
＝３０ｍＡ
となる。この状態が最終的な安定状態である。

このように、電源ＰＳを直接に接続した場合でも、検出スイッチ１に流れる電流は、最大で３０ｍＡ程度に制限される。したがって、検出スイッチ１が損傷することはない。なお、発光ダイオードＬＥＤ１およびトランジスタＱ１には定格値程度またはそれ以内の電流しか流れないので、損傷したり劣化することがない。

したがって、新設時の初期動作確認時またはメンテナンス時などにおいて、検出スイッチ１の配線が未だ正規に行われていない場合に、検出スイッチ１に電源を直接に接続するという簡単な作業を行うだけで、流体圧シリンダを作動させた場合の検出スイッチ１の動作を容易に確認することができる。

しかも、誤って電源を検出スイッチ１のリード線２１ａ，ｂに直接に接続した場合であっても、検出スイッチ１は何らの損傷を受けることなく、また破壊されることもない。

また、センサーＳＥには最大で１０ｍＡ程度しか流れないので、センサーＳＥが損傷したり劣化することがなく、高信頼性、高寿命が得られる。

次に、第２の実施形態について説明する。

図３は本発明に係る第２の実施形態の検出スイッチ１Ｂの回路図である。

第２の実施形態の検出スイッチ１Ｂでは、交流の電源ＰＳ２に対応するために、上で説明したスイッチング回路およびバイパス回路（電流制限回路）が、正逆両方向に機能するように２組設けられている。

すなわち、図３に示すように、検出スイッチ１Ｂは、トランジスタＱ１，Ｑ２および抵抗Ｒ２と、トランジスタＱ３，Ｑ４および抵抗Ｒ３とによって、上に述べたスイッチング回路およびバイパス回路を２組形成し、それらの電流の向きが互いに逆方向となるように接続されている。

また、交流によって表示灯が点灯するように、２つの発光ダイオードＬＥＤ１，２が互いに逆方向に接続されている。

したがって、交流の電源ＰＳ２を負荷ＲＬ２を介して接続したときには、上で説明した動作によって、センサーＳＥのオンオフに応じて負荷ＲＬ２には正常な電流が流れて動作する。

また、電源ＰＳ２をリード線２１ａ，ｂに直接に接続した場合でも、検出スイッチ１Ｂに流れる電流が制限され、検出スイッチ１Ｂが損傷することはない。

なお、２組のそれぞれのスイッチング回路およびバイパス回路は、逆方向の電流に対しては順方向ダイオードまたは単なる抵抗として作用するが、検出スイッチ１Ｂとしての通常の動作には影響がない。

なお、検出スイッチ１Ｂに対して直流の電源ＰＳおよび負荷ＲＬを適用することも可能である。

上に述べた実施形態において、回路、回路定数、素子定数などは、説明のための一例であり、上に述べた以外の種々の回路、回路定数、素子定数などを用いることが可能である。表示灯が不要である場合には、発光ダイオードＬＥＤ１，２を省略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。

上に述べた実施形態において、トランジスタＱ１としてＮＰＮ型のバイポーラトランジスタを用いたが、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、その他のトランジスタ、スイッチング素子を用いることが可能である。センサーＳＥとして、リードスイッチ以外に、磁気抵抗素子、ホール素子、その他の種々の磁気感応センサーを用いることができる。さらには、検出スイッチ１のセンサーＳＥとして、磁気を利用する以外の種々のセンサーを用いることができる。また、検出スイッチ１は、流体圧シリンダ以外の種々の装置において利用することができる。

その他、検出スイッチ１，１Ｂの全体または各部の構成、構造、回路、寸法、形状、材質、個数などは、本発明の主旨に沿って種々変更することができる。

本発明は、例えば流体圧シリンダにおけるピストン位置の検出スイッチとして利用される。

本発明に係る第１の実施形態の検出スイッチの回路図である。検出スイッチの外観の例を示す斜視図である。本発明に係る第２の実施形態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（感知センサー）
１１ケーシング
２１ケーブル
２１ａ，２１ｂリード線（接続ライン）
ＳＥセンサー
Ｑ１トランジスタ（スイッチング回路、スイッチングトランジスタ）
Ｑ２トランジスタ（電流制限回路、バイパス用トランジスタ）
ＬＥＤ１，ＬＥＤ２発光ダイオード（表示灯）
Ｒ２抵抗（バイアス抵抗）
ＰＳ電源
ＲＬ負荷

Claims

外部の物理量の変化を感知してオンオフ動作を行うセンサー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感知センサーであって、
前記センサーのオン動作に応じてベース電流が流れてオンするように接続されたスイッチングトランジスタと、
前記スイッチングトランジスタに流れるコレクタ電流に応じてバイアス電圧を発生するように接続されたバイアス抵抗と、
前記バイアス抵抗に発生する前記バイアス電圧が所定の値を越えたときにオンし且つ当該オンによって前記スイッチングトランジスタのベース電流をバイパスさせるように接続されたバイパス用トランジスタと、
を有し、
前記バイパス用トランジスタは、前記負荷を介することなく前記電源が前記２つの接続ラインに直接に接続された場合において、前記スイッチングトランジスタを損傷しないように当該スイッチングトランジスタのコレクタ電流を制限する、
ことを特徴とする感知センサー。
前記スイッチングトランジスタのオンオフ動作に応じてオンオフする表示灯が設けられてなる、
請求項１記載の感知センサー。
前記センサーは、リードスイッチであり、
前記リードスイッチと抵抗との直列接続体が、前記スイッチングトランジスタのベースに接続されてなる、
請求項１または２記載の感知センサー。