JP4796076B2 - 接近感知スイッチ及びその作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、本願請求項１の前提部分に記載の通り接近感知スイッチ例えば誘導型接近感知スイッチに関し、また請求項１４の前提部分に記載の通りその種のスイッチの作動方法に関する。

本願請求項１の前提部分に記載の誘導型接近感知スイッチは、発振用増幅器及びその帰還回路網からなる発振器を備えている。検知対象物乃至監視対象物（以下単に「ターゲット」）からの作用を捉えるのはその帰還回路網であり、その帰還回路網は半自動又は全自動温度補償型である。

通常、帰還回路網内には、ターゲットが接近してくるとそのインピーダンスが変化するように、共振回路が形成されている。接近感知スイッチの出力は、このインピーダンス変化に応じてスイッチングする。

しかしながら、ターゲット接近に伴う共振回路のインピーダンス変化は僅かであるため、従来の接近感知スイッチはターゲットがかなり近づかないと作動しなかった。例えばＭ１８シールドタイプと呼ばれる接近感知スイッチでは、ターゲットがその距離まで接近したとき共振回路インピーダンスが３０％変化する距離を以て、スイッチ作動距離定格値と定めている。この種の接近感知スイッチでは、ターゲットがその接近感知スイッチから十分に離れた場所からやってきてスイッチ作動距離定格値の三倍の地点に到達するまでに、共振回路インピーダンスが僅かに０．３％程しか変化しない。

ここに、温度が変化するとスイッチ構成部材の物理的特性が変化し、ひいては共振回路インピーダンスも変化する。温度による共振回路インピーダンス変化はかなり大きく、ターゲット接近による共振回路インピーダンス変化に比肩するものであるので、それによってスイッチ作動距離がかなり制約されてしまう。即ち、従来の接近感知スイッチはスイッチ作動距離が小さなものだけで、しかも装置毎にスイッチ作動距離にばらつきがあった。

また、スイッチ構成部材の構成や電気的及び機械的特性には偏差（絶対誤差）やばらつき（相対誤差）がある。製造時に発生する相対誤差（製造ばらつき）、例えばコアに対する巻線位置の誤差も、温度によるスイッチ作動距離ばらつきの一因である。

更に、使用部品の品質は経時的に劣化していく。スイッチ構成部材やそれを形成している素材が経時劣化すると、電気的定数値がドリフトする。更に経時劣化が進行すると、種々の接続部例えば接合部に変質や劣化が発生し、それに応じて電気的定数値が変化乃至ドリフトする。従って、電子回路内断線が生じることもあるし、また外部物質が電子回路内に入り込むこともある。

ご存じのように、温度変化に伴う接近感知スイッチの特性変動（温度特性）を補償する手段（温度補償手段）はこれまでにも数多く提案されているが、複雑なプロセス乃至回路が必要である、室温での温度補償すら完全には行えなずその効果が十分でない等、種々の問題があった。また、温度特性には温度に対し一次の成分、二次の成分、三次の成分等々があり、二次成分や三次成分といった高次成分が目立つことも多い。そのため、一次成分を補償するだけでは不十分であり、高次成分を抑え少なくとも部分的に補償することが必要である。温度補償手段としては従来から負温度係数（ＮＴＣ）温度センサ網等が使用されているが、これを改良して高次温度特性を補償するとしたら、多段階乃至多重補償や多段階調整を行う構成にしなければならず、かなりコストがかかる。更に、最終実装後もインタフェース越しに温度補償乃至調整を行う必要がある。

こうした従来型の温度補償システムでは、スイッチ作動距離の延長は本質的に不可能である。それは次のような理由による。まず、共振回路（例えばそのコイル系）と増幅器の間には温度差があり、共振回路と温度補償回路の間にも温度差がある。温度差があると温度変化に対する反応も異なるので、温度補償誤差が発生する。次に、温度補償回路と増幅器及び共振回路を特性的にすりあわせるにしても限界がある。そして、共振回路構成部材とスイッチの他の部分の構成部材の双方に定数値ばらつきや製造ばらつきがあるため、狙い通りの性能の接近感知スイッチを製造すること自体難しい（再現性に欠ける）。

なお、温度補償方法の例としては、例えば特許文献１等に記載の通り、ディジタル抵抗回路網を利用した電子的補償方法がある。これは、電源ラインを介した通信によってディジタル抵抗回路網の状態をプログラミングし、それを通じて制御電流値を設定するやり方であるが、室温でしか実行できずしかもやや込み入っているという難点がある。

また、接近感知スイッチの温度特性の主因は、共振回路内コイル導体（銅線）の抵抗値に温度係数があることである。特許文献２には、そうした要因による温度特性を補償できるより優れた方法が記載されている。この方法では、増幅器の正帰還回路網として、互いに誘導結合するよう逆Ｌ字接続されている２個のコイルを含む回路網を使用する。この正帰還回路網は自動補償型正帰還回路網と呼ぶことができる。それは、任意の周波数における伝達関数値及び各構成部材の定数値が、原理的に、ターゲット接近によるコイルのダンピング（コイルの電気的定数の変化）量だけで決まるからである。また、特許文献３には、特許文献２に記載の回路を更に発展させた回路が記載されている。コイル導体の温度係数には一般に温度変化に比例する成分とそれ以外の成分があるので、この文献に記載の回路では、増幅器の負帰還経路を２本の経路、即ち第１負帰還経路と第２負帰還経路に分け、温度変化に比例する方の成分を第１負帰還経路により、比例しない方の成分を第２負帰還経路により、それぞれ補償するようにしている。即ち、温度係数の温度比例成分により生じる共振回路内損失を第１負帰還経路の温度特性を利用して補償する一方、第２負帰還経路としては例えばオーミック抵抗を用い、温度係数の温度非比例成分による不定損失、ハウジング内磁界による損失、コイル内接近損失（渦電流損）等を、第２負帰還経路により補償する。

特許文献４には、電源ラインを介した通信による三段階調整手順が記載されている。この手順の第１段階では、互いに異なる特性を有する複数個の電流源の出力を発振器の種類に応じた荷重で結合させ、その結果得られる合計電流を利用し種類別発振器特性調整を実行する。第２段階では、ディジタル抵抗回路網へのプログラミングによりある特定の温度例えば室温での特性偏差を補償する。そして、第３段階では、比較器に供給するしきい値をディジタル的に調整することによって温度特性を補償する。しかしながら、この文献に記載の回路及び方法が果たしてどの程度まで好適に稼働するか、またどの程度効率的に稼働するかが定かでない。しかも、特性判別等が必要であるので厄介である、ＡＳＩＣ（用途特化型集積回路）が２個必要であるので部品コストが嵩む、部材間をうまく熱的に結合させねばならないので機構や構造が制限される等、やや面倒な方法でもある。

特許文献５には、金属質のターゲットであればその素材に関わりなく検知できる誘導型接近感知スイッチが記載されている。即ち、ターゲット形成素材が非磁性金属及び強磁性金属の何れでも検知できる装置を簡素化するため、この文献に記載の接近感知スイッチでは、従来であれば高導電性素材によって形成されていたコイル巻線を、部分的に又は全面的に、抵抗性の合金により形成している。但し、温度補償については記載がない。

特許文献６には更に別の温度効果補償方法が記載されている。この文献に記載の接近感知スイッチでは、発振器に設けた温度センサの出力信号値に応じ、スイッチング用のしきい値を変化させる。

特許文献７には、調整回路乃至判別器の動作例えばそれらで使用するスイッチング用のしきい値を温度センサの出力信号に基づき制御し、或いは発振器に接続されている演算／計測回路の利得を同信号に応じて変化させる接近感知スイッチが、記載されている。

特許文献８には、共振回路内のコイルのコアを温度センサとし、共振回路内のトランジスタのエミッタコレクタ間にある電流源を、その温度センサの出力信号に応じ且つ線形制御デバイスによりスイッチング制御することによって、共振回路出力電流の温度特性を補償する回路が、記載されている。この回路によれば、共振回路内コイルの温度特性を、負温度係数抵抗を用いた従来のやり方に比べ好適に、補償することができる。

特許文献９には、温度補償機能を有する生体検知器が記載されている。

特許文献１０には、熔融アルミニウム槽の液面レベル等を非接触で計測する誘導型の計測システムが記載されている。このシステムの温度補償回路は、出力信号の温度特性を補償するため温度センサ出力を記録及び評価するが、但し、その信号を利用して直に発振器内の電子回路を操作するわけではない。特許文献１１及び１２には、水晶発振器の温度特性を補償する手段が記載されている。

独国特許発明第１９７０２０５９号明細書（Ｃ２） 欧州特許第００７０７９６号明細書 欧州特許出願公開第０３１９４７０号明細書（Ａ１） 独国特許発明第１００４６１４７号明細書 西独国実用新案第２０１０８９０４号明細書（Ｕ１） 独国特許出願公開第１９５２７１７４号明細書（Ａ１） 独国特許出願公開第３９３１８９２号明細書（Ａ１） 独国特許出願公開第３９２６０８３号明細書（Ａ１） 欧州特許出願公開第０７４４６３１号明細書（Ａ１） 米国特許第４９５６６０６号明細書 独国特許出願公開第３４２５６６２号明細書（Ａ１） 独国特許出願公開第１９６４０６７７号明細書（Ａ１）

本発明は、接近感知スイッチ及びその作動方法の改良、特に安定的に動作しうる温度範囲の拡張及びスイッチ作動距離の延長を目的とする。

このような目的を達成するため、本願では、請求項１記載の特徴的構成を有する接近感知スイッチ、並びに請求項１４記載の特徴的構成を有する方法を提案する。

更に、請求項１又は１４に従属する形式で記載された請求項に記載の構成は、本発明に係る接近感知スイッチ又は方法の好適な実施形態、即ち有用な効果を奏する構成である。

まず、本発明に係る接近感知スイッチは、請求項１の前提部分に記載の接近スイッチを更に発展させたものであり、発振用増幅器として使用される増幅モジュールと、発振用増幅器に付設され負帰還回路網等のカップリング用受動回路網及びそのトランスコンダクタンスを制御可能なトランスコンダクタンス増幅器を有する被制御回路網と、少なくとも発振用増幅器の温度を検出する温度センサと、を備え、温度センサの出力信号から制御信号を導出してトランスコンダクタンス増幅器のトランスコンダクタンスひいては被制御回路網の伝達関数を制御しそれによって発振用増幅器の利得を制御すること、即ち温度検出結果に基づきトランスコンダクタンス増幅器を動作させ発振用増幅器を制御することにより、温度による発振特性の変化を少なくとも部分的に補償することを特徴としている。

また、本発明に係る方法は、カップリング用受動回路網及びトランスコンダクタンス増幅器を有する被制御回路網が付設された増幅モジュールを発振用増幅器として動作させ、温度センサにより少なくとも発振用増幅器の温度を検出し、温度センサの出力信号から制御信号を導出してトランスコンダクタンス増幅器（例えば差動増幅器）のトランスコンダクタンスひいては被制御回路網の伝達関数を制御すること、即ち温度センサによる温度計測結果に基づきトランスコンダクタンス増幅器にて利得変化を引き起こして被制御回路網の伝達関数を変化させることにより、温度による発振器の特性変化が少なくとも部分的に補償されるよう、発振用増幅器の利得を制御することを特徴としている。

本発明によれば、その発振用増幅器の温度特性をほとんど自動的に補償できる。即ち、発振用増幅器やその帰還回路網の温度特性の主成分は一次成分即ち線形成分である。本発明の接近感知スイッチによれば、その線形成分を自動補償することができる。特に、帰還回路網伝達関数の温度特性は例えばコイル系の実装状態のばらつき、定数値のばらつき、製造ばらつき等によってばらつき、発振用増幅器伝達関数の温度特性は例えばその内部における定数値のばらつき等によってばらつく。従って、本発明のようにその発振用増幅器を制御可能な構成とし、発振用増幅器の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサによる温度検出結果に基づき発振用増幅器を制御することにより、帰還回路網伝達関数の温度特性の大半を占める線形成分については、コイル系の実装状態のばらつき、定数値のばらつき、製造ばらつき等によるばらつきを含め、補償することができる。なお、発振用増幅器の温度特性は概ね線形であるので、そのばらつきを含めほぼ完全に補償することができる。

本発明にて更に特徴的なことは、発振用増幅器及びその帰還回路網（概ね全自動補償型の回路網）に発振用増幅器の一部をなすよう被制御回路網を付設してあるので、それを利用することによって、各構成部材のばらつきや高次温度特性を補償できることである。即ち、帰還回路網伝達関数値の温度特性のうち各コイル系の実装状態の違い例えば共振回路インピーダンスの違いによるばらつきには、上掲の線形補償では除去しきれない成分が含まれるが、そうした非線形成分も、発振用増幅器の被制御回路網を制御することによって、概ね補償することができる。

総じて、本発明によれば、第１に、従来技術に比べかなり単純な構成であるので接近感知スイッチを安価に製造できる。第２に、本発明に係る方法は少数の工程からなる方法であるので低コストで実行できる。第３に、本発明に係る接近感知スイッチを本発明に係る方法により動作させることにより、そのスイッチ作動距離をかなり延長できる。加えて、本発明に係る接近感知スイッチ及び方法によれば、バッチ的補償動作を原理的に低コストで実施することができる。

更に、本発明に係る接近感知スイッチで使用する発振用増幅器は、増幅モジュールに被制御回路網を付設しその被制御回路網により利得を制御できるようにした構成である。この被制御回路網は増幅モジュールへの負帰還経路上に設けることも正帰還経路上に設けることもできる。ターゲットに反応する帰還回路網は、被制御回路網を負帰還経路上に設けるなら正帰還経路上に設ければよく、正帰還経路上に設けるなら負帰還経路上に設ければよい。どちらかといえば、ターゲット捕捉用の帰還回路網を正帰還経路上、利得制御用の被制御回路網を負帰還経路上に設けるのが望ましいが、どちらの構成でも本発明を実施することができる。ターゲット捕捉用の帰還回路網を正帰還経路上、後述の能動シャントを含む被制御回路網を負帰還経路上に設けるこの構成においては、前者を正帰還回路網と呼び後者を負帰還回路網と呼ぶこととなるが、帰還回路網を増幅モジュールへの負帰還経路上にまた被制御回路網を増幅モジュールへの正帰還経路上に設けるように入れ替えた構成でも基本的な仕組みに変わりはなく、ただ動作の向きが逆になるだけである。即ち、その構成では、ダンピングされると伝達関数値が低下して発振出力が弱滅し、場合によっては発振状態が損なわれることになる。

本発明によれば、更に、その被制御回路網をカップリング用受動回路網（例えば負帰還回路網）及び可制御型能動調整装置（例えば可制御型のトランスコンダクタンス増幅器）によって実現することができる。カップリング用受動回路網は温度変動に対して安定な形態で構築するとよい。こうした構成の被制御回路網は低い回路コストで実現できる。更に、トランスコンダクタンス増幅器の制御は例えば制御電圧、制御電流又はその双方を用いて行えばよい。その他、既知の部材であればどのような部材でも使用できる。

帰還回路網温度特性のうち少なくともその主成分である線形成分を自動補償するには、例えば帰還回路網をバイファイラコイルによって構成すればよい。バイファイラコイルを構成する二種類の巻線（第１及び第２巻線）は、例えば互いに異なる本数及び太さのワイヤを撚ったストランドにする。特に、個々のワイヤの本数を第１巻線については１本、第２巻線については複数本にすれば、コイル系の温度特性特にその銅損の温度特性をかなり好適に自動補償することができる。また、バイファイラコイルではほとんど損失が生じないため、温度補償手段による損失発生を避けることができる。更に、個々のワイヤの断面積を、第１巻線の方が第２巻線より広くなるようにすれば、ワイヤの本数如何によらず、その取扱性（とりわけ単線ワイヤへの半田付け性）を高める等、製造上の難点を排することができる。また、隣接ワイヤとの作用で各ワイヤ内に発生する渦電流損（接近損失）を低減するには個々のワイヤをできるだけ細くするのが望ましいが、取扱容易性を考慮すると１本１本のワイヤを無闇に細くするわけにはいかない。それは、仮にそうしてしまうとワイヤが半田付け中に燃焼等してしまいかねないからである。従って、本発明を実施する際には、個々のワイヤの取扱容易性乃至処置容易性を確保しつつ接近損失レベルを許容範囲内にするため、例えば第１巻線を構成する個々のワイヤの太さを６０〜１００μｍの範囲内、好ましくは約７０μｍにし、第２の巻線を構成する個々のワイヤの太さを（必須とまではいえないが）２０〜５０μｍの範囲内、好ましくは約３０μｍにする。

また、本発明に係る接近感知スイッチは、誘導型接近感知スイッチとして構成するのが望ましいけれども、原理的には、ターゲットが接近すると共振回路内静電容量が変化し（正）帰還回路網伝達関数値が変化するタイプの接近感知スイッチ、即ち静電型接近感知スイッチとして構成することもできる。

更に、本発明によれば、発振用増幅器内増幅モジュールとしてその開ループ利得が高い増幅モジュールを使用し、また受動型負帰還経路及び能動型可制御負帰還経路を互いに並列接続してそれらによる強力な負帰還をその増幅モジュールにかけることで、ほぼ全自動補償型の発振用増幅器を好適に構築することができる。強い負帰還がかかった増幅器はほぼ理想的な増幅器と見なせるので、発振用増幅器内増幅モジュールに強い負帰還をかけると、発振用増幅器全体としての入力インピーダンス及び伝達関数値、更にはそのループ利得及び電圧利得が、変調度及び温度の影響をほとんど受けなくなる。また、制御信号として供給される制御電圧又は制御電流の振幅乃至値に応じその利得特性がほぼ平行にシフトする増幅器、特に制御信号値と利得特性シフト幅との関係がほぼ線形なものを発振用増幅器として用いることにより、利得制御に関わる回路の構成をとりわけ単純にすることができる。総じて、利得特性シフト幅と制御信号値の関係が温度に対してほとんど無関係になり、利得変化が変調度及び温度にほとんど影響されなくなるということは、有益なことである。また、発振用増幅器として強い負帰還がかかった増幅器を使用する場合、変調度に対する利得の関係或いは変調度に対する電圧利得乃至その変化分の関係を予め設定しておくとよい。更に、この発振用増幅器における温度に対する利得の関係を予め設定しておくこと、とりわけその利得が温度の影響を受けないように線形乃至一定値の特性にし制御電圧が多少変化しても正帰還経路や負帰還経路のインピーダンスがその定格値から変化しないようにすることが、有益である。また、温度及び周波数に対する発振器のインピーダンス特性を予め設定しておくのも好ましいことである。

本発明によれば、更に、その（負）帰還経路上に設けた能動回路や受動回路によって発振用増幅器の利得を変化させることができる。例えば、高周波用インピーダンスアレイ乃至チェインを負帰還経路上に設け、そのインピーダンス値を切り替えることで負帰還経路インピーダンスを変化させてもよいが、本発明では、トランスコンダクタンス増幅器に対する制御信号供給を通じてインピーダンスを制御する。この回路は能動シャントと呼ぶことができる。能動シャントには、更に、発振用増幅器の線形性を損なうことなく発振用増幅器の利得を修正できる、という効果もある。

発振用増幅器と機械回路網内共振回路の間は、例えば適当なインピーダンスを有するオーミックな抵抗等によって電圧的にカップリングしてもよいが、それだけでは別部材を設けて位相を正確に定めねばならない。従って、カップリングコンデンサを設けて共振回路に電圧カップリングさせ、当該別部材を不要にする方がよい。但し、その場合でも、オーミックな抵抗をそのカップリングコンデンサに直列接続した方がよい。インピーダンスを整合させやすくなるからである。

更に、発振用増幅器の後段に整流器を、更にその後段に比較器をそれぞれ縦続接続し、比較器におけるしきい値との比較により接近感知スイッチとしての出力をスイッチングする構成を採ることができるが、本発明の場合、かなり広い変調度範囲に亘りその利得が一定の増幅器を使用することができるため、比較器に供給するしきい値を一定値にすることができるしまたそれは有益なことである。そうした場合、接近してくるターゲットに対するコイル系の反応、即ち０に近い最小値から最大値への振幅変化が、ある十分に狭い距離範囲内で発生することになる。しかも、当該スイッチングしきい値を精密設定する必要もない。これは、有益にも、回路コストその他のコストの低減につながる。

本発明によれば、更に、例えばそれ専用の熱電対や半導体部品等、既知技術によるものであればどのようなものによっても、その温度センサを構築することができる。なかでも望ましいのは、負温度係数温度センサ網として構成した温度センサを用い、本発明に係る接近感知スイッチを構成することである。負温度係数温度センサ網であれば、十分な線形性を低コストで達成することができる。

本発明によれば、更に、変調度に応じ発振用増幅器の利得を変化させること、即ち変調度が低く又は発振出力の振幅が小さい場合に発振用増幅器の利得が所定態様で高まるようにすることによって、発振器の発振を迅速に開始させることができる。回路的には、これは、発振用増幅器特にその増幅モジュールに整流器の出力を供給し、それによって発振用増幅器を制御する構成とすることによって、実現することができる。この構成では、発振用増幅器の利得が、整流器から供給される電圧ひいては変調度に応じ変化する。

本発明を実施する際には、その作動温度域を複数の点で区切り各点間を直線で結んだ折れ線で、発振用増幅器の利得特性を近似する構成にするのが望ましい。例えば、作動温度域内にある複数のチェック温度について利得補正量を求め、チェック温度とチェック温度の間にある温度についてはチェック温度における利得補正量に基づく線形補間により利得補正量を決定する手順で、これを行う。とりわけ、三通りのチェック温度について利得補正量を求めそれらに基づき中間温度での線形補間を行うやり方は、単純且つ効率的である。このやり方を採る場合、発振用増幅器の利得特性は２個の直線分からなる折れ線で近似されることとなる。この経済的なやり方は三点補償としても知られており、様々な用途で有用であることがわかっている。また、離散的利得特性近似には、利得補正量の計算を必要な温度についてだけ行えばよいので計算が容易である、という利点もある。なお、例えばＢｅｚｉｅｒ曲線による補間等の非線形補間も好適に使用できる。更に、チェック温度別利得補正量決定に続き、利得特性のバッチ設定を行うこともできる。

そして、本発明に係る接近感知スイッチ及び方法によれば、ある目的に使用した構成部材の寸法や定数値に基づきシミュレーションを行うことによって、様々なサイズの接近感知スイッチ向けにそれらの構成部材の寸法や定数値を定めることができる。

以下、本発明の実施形態に係る接近感知スイッチ及び方法の構成及び利点について、別紙図面を参照してより詳細に説明する。

ここではまず、図１に示す従来システム５０における基本的な問題点に関し説明する。図示されているシステム５０は、主にコイル系５１、増幅器５２並びにそれらの温度特性を補償するための補償回路網５４から構成されている。このシステム５０におけるスイッチ作動距離は、次のような理由で十分に延ばすことができない。それは、第１に、図中矢印５６で示す通りその構成部材間に空間的な距離があり、各構成部材が全く同一の場所にあるわけではないので、構成部材間に必ず何らかの温度が生じるからである。例えば、コイル系５１と増幅器５２及び補償回路網５４の間には、何らかの温度差が発生する。構成部材間に温度差があり、しかもその温度差を完全にはなくすことができないということは、温度が変化してもそれに正確に追従できず誤差が発生する、ということである。第２に、コイル系５１、増幅器５２及び補償回路網５４の特性を相互に一致乃至整合させるにしても、精度上の限界がある。第３に、とりわけコイル系５１や増幅器５２の構成部材に定数値ばらつきや製造ばらつきがあるので、その再現性が十分でない。

図２に、定数値ばらつき等によりもたらされる温度特性を模式的に示す。この図はスイッチ作動距離ｓの温度特性をプロットした図であり、図中の横実線５８はスイッチ作動距離定格値ｓ_rを、横破線６０は当該定格値ｓ_rから上下に１０％の範囲を、それぞれ表している。定格値ｓ_rを大きくすると種々のばらつき要因が顕在化しやすくなり、定格値ｓ_rに対する実際のスイッチ作動距離ｓのばらつきが指数関数的に大きくなる。即ち、定格値ｓ_rが大きな製品では、その定格値ｓ_rに対する実際のスイッチ作動距離ｓのばらつき範囲が、室温から離れるにつれ急峻に拡がっていく。図２では線６４により模式的に示されているように、これは、定格値ｓ_rが大きな製品ではその定格値ｓ_rに対する実際のスイッチ作動距離ｓのばらつきが大きくなり、好適に使用できる温度範囲、即ち線６４が上下の横破線６０の内側にある温度範囲がかなり狭くなる、ということである。これに対し、仮に線６２に係る構成を実現できれば、Ｔ_Uを下限としＴ_Oを上限とする広い温度範囲全体に亘り、好適に使用することができる。実現したいのは、線６２に係る構成、即ちスイッチ作動距離が際立って長い構成である。本発明の実施形態では、これを実現する手段として、第１に、ほぼ自動的に温度補償するよう構成された発振用増幅器と、主成分たる線形成分をほぼ自動的に補償するよう構成された正帰還回路網とを、使用することとしている。この自動温度補償によって、少なくとも典型的な定数値ばらつきや製造ばらつきに対する温度補償を施すことができ、更には高次温度特性をも抑えることができる。

図３〜図５に、本実施形態にて使用する自動補償型発振器、特にその発振用増幅器及び正帰還回路網の一例構成を示す。

まず、図３に模式的に示したのは、本実施形態で使用する正帰還回路網の例１５である。この帰還回路網１５は自動温度補償型であり、その主要構成部品はバイファイラコイル２０に種々の電気部品及び配線を付加した構成のコイル系である。図示されているコイル系の場合、バイファイラコイル２０の伝達関数値は少なくとも一次近似的には温度変化に対して不変であり、従ってそれが変化するのはほぼターゲットによりコイル２０がダンピングされたときだけである。また、本コイル系の中核部材となっているこのバイファイラコイル２０は、互いに密結合するよう逆Ｌ字接続された第１巻線２２及び第２巻線２４から構成されている。即ち、第１巻線２２及び第２巻線２４はほぼ完全に誘導結合している。本コイル系を好適に製造するには、第１巻線２２と第２巻線２４を互いに異なる構成にすること、例えば第１巻線２２を１本のワイヤによって構成し第２巻線２４を複数本のワイヤからなるストランドとして構成することが望ましい。特に、第１巻線２２を構成する１本のワイヤを、第２巻線２４のストランドを構成する個々のワイヤよりも太くすることによって、半田付け上の難点を克服することができそれでいて接近損失を許容範囲内にとどめることができる。更に、バイファイラコイル２０の第２巻線２４にはコンデンサ３０が並列接続されている。このコンデンサ３０は、コイル系と共に共振回路１４を構成している。この共振回路１４への入力電圧の供給は、第１巻線２２に接続されているカップリングコンデンサ２６を介して行われる。カップリングコンデンサ２６は、更に、入力される励起電圧の位相位置を正確に定める役割を有している。

こうした構成で温度補償を実現するには、カップリングコンデンサ２６の定数値及びシャント抵抗２８の定数値をそれ相応に設定し、またそれらに接続されている電気部品及び配線の定数値を最適化すればよい。最適化のための境界条件としては、伝達関数の定格値を使用すればよい。但し、これを行うには、コイル系を自動補償周波数未満で作動させねばならない。

このように、本実施形態で使用している自動補償型正帰還回路網は従来技術のそれとは異なるものであり、その利点は数多くある。まず、その電気部品及び配線の定数値は、温度補償機能を奏するように最適設定されている。次に、第１巻線２２及び第２巻線２４の構成を、基本的には補償に関わる他の部材とは独立に決めることができるため、接近損失等の寄生損失を最低限に抑えることができ、またその温度係数の高次成分をかなり小さくすることができる。そして、この正帰還回路網の温度係数は周波数にほとんど依存しないので、上述の通りこれを発振器の正帰還回路網として用いることにより、伝達関数値の自動温度補償回路として機能させることができる。

発振器の基本的構成部材としては、上述の帰還回路網１５の他に発振用増幅器がある。誘導型接近感知センサ乃至スイッチの作動距離をひときわ長くし、ターゲットからの作用によるコイル系の定数値変化分がほんの数千ｐｐｍオーダであってもそのターゲットの接近を検出できるようにするには、発振用増幅器として、次の三種類の条件を満たすものを使用しなければならない。

第１に望まれるのは、その増幅器の電圧利得が温度に対し高安定であることである。即ち、電圧利得変動率の最大値が、ターゲットからの作用分に比べ、十分に小さくなければならない。

第２に、その増幅器の線形性がかなり高くなくてはならない。即ち、その利得特性の基本波成分ができる限り一定であり、十分に広い変調度範囲内で変調度がどのように変化しても変化しないことが必要である。そのような増幅器であれば、ターゲットによってコイルがダンピングされ正帰還経路伝達関数値が変化したときに、その僅かな変化を増幅して、増幅器出力振幅を大きく振らせることができる。その結果として、信号対雑音比がかなり改善される。同様のことは、整流器及び比較器から出力される信号の信号対雑音比、即ちその信号に対する外乱の影響度合いの評価に使用できる信号対雑音比についても成り立つ。

第３に、その増幅器の入力インピーダンスができるだけ高く（好ましくは１ＭΩ超）且つ温度に対してできるだけ安定でなければならない。

これらの条件を満足させるには、その開ループ利得が高い増幅モジュールを増幅器として用い、受動型負帰還回路網によりその増幅器に強い負帰還をかけるのが理想的である。この増幅システムの動作は、その増幅器の開ループ利得が十分高ければ原理的にはその負帰還経路上にある受動回路網だけで決まり、使用する半導体部品の回路パラメタやその温度特性は表に現れなくなる。

このように、その回路定数値が予め定められている受動型負帰還回路網により増幅モジュールに対し強い負帰還をかける構成の増幅システムを、発振器コア即ち発振用増幅器として使用する際には、線形補償及び温度補償が施された差動増幅器である能動シャントをその受動型負帰還回路網に並列接続し、それらの並列回路により利得を制御するとよい。能動シャントとして使用する差動増幅器に流れる電流を直接制御や電圧制御によって変化させると、その変化に比例するようにその差動増幅器の伝達トランスコンダクタンスが変化し、ひいては増幅モジュールの負帰還回路網に作用が及んで発振器コアたる増幅システム全体の利得が変化する。負帰還をかけて使用している限り、その増幅モジュールがどのような構成を採っていても、この原理による利得制御は行うことができる。こうして得られる発振用増幅器は、先に掲げた三種類の条件を満たすだけでなく、制御信号値を変化させることでその利得を変化させうる構成になる。この構成を利用することで、接近感知スイッチの温度特性をソフトウェアベースで補償すること、特にコイルその他の構成部品に定数値ばらつきがあっても（再現性が欠けていても）温度補償することが可能になる。しかも、利得の値をどのようにしようと、増幅システムとしての利得安定性、線形性及び入力インピーダンスの高さは概ね確保できる。

図４に三種類の利得曲線を模式的に示す。これらの利得曲線は、所定特性の負帰還回路網により増幅モジュールに負帰還をかけ、負帰還回路網内差動増幅器のトランスコンダクタンスを制御信号（ここでは制御電圧）供給により制御する構成の発振器コアにて、その制御信号の値を三通りに変えることによって求めたものである。図中、両矢印線４１によって示されているように、どの利得曲線も広い変調度範囲に亘って線形である。このように線形範囲が広い変調度範囲に亘り延びていると、正帰還経路伝達関数の僅かな変化で増幅出力振幅が大きく振られることになり、それによって信号対雑音比がかなり大きくなる。比較器の出力についても同様に信号対雑音比が大きくなるので、その比較器に供給するしきい値を極端に高精度にする必要がない。また、これも図４から読み取れるように、図示されている三種類の利得曲線の何れにおいても、低変調度領域にて利得が増大している。このような変調度領域での利得増大は、ターゲットとの距離が小さいとき増幅出力振幅が弱滅してしまうことを防ぐのに役立ち、また発振器の発振を迅速に開始させるのに役立つので、有用なことである。他方、変調度が高い領域ではどの利得曲線でも利得が低下するので、発振出力振幅が小さくなる。

図５に、本実施形態に係る接近感知スイッチにて使用する発振用増幅器１６を模式的に示す。この発振用増幅器１６は、基本的には発振器コア１７及びトランスコンダクタンス増幅器３６から構成されている。発振器コア１７は、インピーダンスＺ₁及びＺ₂からなりその特性が固定且つ所定の受動型負帰還回路網を、増幅モジュール２１に付加した構成である。トランスコンダクタンス増幅器３６は電圧Ｕ_PWMによって制御される増幅器であり、発振器コア１７の負帰還回路網内に配置されている。このトランスコンダクタンス増幅器３６への入力電圧をｕ_aとすると、そのトランスコンダクタンス増幅器３６から負帰還回路網に流れ込む電流は、そのトランスコンダクタンス増幅器３６のトランスコンダクタンスＳとの積であるＳｕ_aとなる。トランスコンダクタンス増幅器３６のトランスコンダクタンスＳは制御電圧Ｕ_PWMに応じて決まるので、発振器コア１７の電圧利得ｖ_uは、図示されているトランスコンダクタンス増幅器３６のトランスコンダクタンスＳを制御電圧Ｕ_PWMにより制御することで、変化させることができる。なお、発振用増幅器１６乃至その発振器コア１７は、例えば、制御電圧変化による利得の変化が±約２％の範囲内になるように、設計するとよい。外乱例えば温度変化に伴う特性変化乃至振幅変動のうち一部は以上の回路でも補償仕切れないことがあるが、原理的に、それは有意信号よりかなり小さくなる。通常は、有意信号の０．３％を下回るのが普通である。

図６に、本実施形態に係る接近感知スイッチ１０の構成を模式的に示す。この接近感知スイッチ１０は誘導型接近感知スイッチであり、その中核部材は、先に述べた通り正帰還回路網１５及び発振用増幅器１６から構成される自動線形補償型の発振器１２である。図５を参照して既に説明した通り、発振用増幅器１６は、その本体たる増幅モジュール２１と、所定の特性を有する受動型負帰還回路網３８と、発振用増幅器１６全体の利得を調整するためのトランスコンダクタンス増幅器３６とを、備えている。また、増幅モジュール２１の正帰還経路上には帰還回路網１５がある。更に、トランスコンダクタンス増幅器３６に供給する制御信号は、本発明の特徴に係る温度センサ１８の出力信号から導出し、それをそのまま又は電圧電流変換器４０を介してトランスコンダクタンス増幅器３６に供給する。従って、温度センサ１８は、トランスコンダクタンス増幅器３６に直結してもよいし、電圧電流変換器４０の入力端４２に接続してもよい。後者の場合、温度センサ１８を電圧電流変換器４０の入力端４２に直結してもよいし、何らかの介在部材を介して当該入力端４２に接続してもよい。温度センサ１８としては例えば負温度係数温度センサ網１９を使用する。

増幅モジュール２１の出力信号は整流器３２によって整流される。整流された電圧は比較器３４に供給され、その値が所定の比較器しきい値と比較される。この比較の結果は出力信号４４として比較器３４から出力される。また、図示実施形態の場合、破線３２で模式的に示してあるように、整流器３２の出力を増幅モジュール２１に帰還させることもできる。この帰還経路の細部をうまく構成することによって、増幅モジュール２１の変調度が低い場合や発振出力が低レベルである場合にも利得を増大させることができ、ひいては発振振幅の弱滅を防ぎまた発振器１２の発振を好適に開始させることができる。

次に、図７〜図１０を参照して、本実施形態に係る接近感知スイッチの作動方法、特に利得と温度の関係の求め方について説明する。

まず、温度に対するスイッチ作動距離の関係は例えば図７に示すような関係になる。この図に示す典型例では、下限作動温度Ｔ_U近辺及び上限作動温度Ｔ_O近辺の温度でスイッチ作動距離Ｓがその定格値Ｓ_nから大きく外れており、±１０％の枠を逸脱している。また、室温Ｔ_RTではスイッチ作動距離Ｓが定格値Ｓ_nより若干大きくなっている。即ち、下限作動温度Ｔ_Uにおけるスイッチ作動距離Ｓは大きすぎ、室温Ｔ_RTでは若干大きく、上限作動温度Ｔ_Oでは小さすぎる。スイッチ作動距離Ｓが過大であるということは、ターゲットによる発振器のダンピングが顕著であり、そのままにしておくと発振器における発振が停止するかスイッチング用の比較器への入力が比較器しきい値を割る、ということである。逆に、スイッチ作動距離Ｓが過小であるということは、その定格値Ｓ_nに比べて大分近い位置までターゲットが近づかないと発振器が好適にダンピングされない、ということである。従って、この例の場合、下限作動温度Ｔ_U近辺での利得を上げ上限作動温度Ｔ_O近辺での利得を下げる必要があり、また室温Ｔ_RTにおける利得も僅かながら下げた方がよい。この処理即ち利得に対する温度補償は、それら三通りの温度を補償基準温度（チェック温度）として用いて行う。即ち、図８に示すように、これら三通りの補償基準温度における利得をチェックし、チェックした利得に基づき他の温度における利得を線形補間で求められるようにすることで、温度Ｔ_Uから温度Ｔ_Oに至る作動温度全域についての利得曲線を近似する折れ線、即ち二本の直線により三点間をつないだ折れ線を得ることができる。

即ち、本実施形態に係る方法を実施する際には、まず所望温度範囲内に少数（好ましくは３個）のチェック温度を設定し、それらのチェック温度における制御信号値（制御電圧値又は制御電流値）又はその変更幅を求め、求めた量即ち補正量を不揮発性メモリ内に格納しておく。実動作時には、まず温度センサ１８によって温度Ｔを計測し、その温度計測結果に基づきマイクロプロセッサやマイクロコントローラに各点毎の計算を行わせることによって、補正量乃至制御信号値を決定する。決定したら、それをディジタルアナログコンバータによってアナログ信号に変換することにより、或いはＰＷＭ信号源における低域通過炉波動作をそれに基づき制御することにより、制御信号を発生させる。従って、不揮発性メモリに格納しておいた補正量に基づく線形補間を経て制御信号が生成されることになるので、上記所望温度範囲内で温度が変化したときそれに追従するよう制御信号値を変化させること、即ち温度補償を行うことができる。なお、上述した折れ線より高次の近似曲線、例えばＢｅｚｉｅｒ近似曲線を利用しまたその曲線のパラメタを適宜設定して、制御信号値を決定することも可能である。また、マイクロプロセッサやマイクロコントローラとの通信は、例えば電源ラインを介して行えばよい。この電源ライン経由通信は、制御信号値、補正量等、各種の情報乃至指令の双方向伝送に使用可能である。更に、利得曲線を丸ごとメモリに格納することもできる。その場合は、各点毎の計算は不要になる。また、制御電圧ではなく制御電流によって、トランスコンダクタンス増幅器を制御することもできる。

図９に、制御信号値補正量の決定方法を模式的に示す。この方法では、まずスイッチ作動距離以下の距離にターゲットを存在させておき、この図にプロットされている制御電圧Ｕ_PWMを同図の縦軸沿いに徐々に上昇させていく（矢印９１）。制御電圧Ｕ_PWMを上昇させると利得は低下する。発振器が発振するに至ったら（ポイントＢ）、今度は逆に利得を増大させ、発振器を発振させうる上限の利得を探し出す。このダンピング発振限界利得に達したら、その点（ポイントＥ）における制御電圧Ｕ_PWM即ち制御信号値補正量Ａ（Ｔ）、並びにそのときの温度Ｔを、不揮発性メモリ例えばＥＥＰＲＯＭ内に格納する。この処理を三通りのチェック温度それぞれについて実施すると、三通りの補正量が得られる。得られた補正量に基づき線形補間を行えば、作動温度領域内のどの温度についても補正量を求めることができる。即ち、図１０に矢印９２で示す補正量折れ線が得られる。なお、この図の横軸Ｔは前掲の図における温度Ｔそのものではなく、温度が上昇すると低下するように定めた温度パラメタである。そのため、この図では下限作動温度Ｔ_Uが室温（ＲＴ）より右側にある。このような補正量に基づき利得を制御すると、例えば図１１に示すように、スイッチ作動距離の偏差が抑えられる。この図に示したのは、ある試作品を−２５〜＋７０℃温度範囲に亘り作動させたときのスイッチ作動距離曲線である。この例では、図示の通りスイッチ作動距離は約１５ｍｍ、そこからの偏差は１０％以内である。

このように、本発明によれば、発振器を自動補償型にすると共にその発振用増幅器を可調型にしたため、スイッチ作動距離及び温度安定性に優れた新規な接近感知スイッチ及びその作動方法を得ることができる。また、例えば、発振用増幅器として低ドリフト型の増幅器を使用し、負帰還経路上にある増幅器のトランスコンダクタンス乃至利得を調整し、発振出力を比較器にて所定しきい値と比較するようにすることで、制御回路の段数を単一段にすると共に、少数のチェック温度について予め調べ情報を得て記録しておくだけでよくなる。本発明によれば、このように単純な制御方法によって、統計的誤差、偏差温度特性及び定数値温度特性を補償することができる。更に、特に自動補償型の発振器及び低ドリフト型の発振用増幅器を構成する部材として、温度が変化してもその特性がほとんど変化しない部材を用いることにより、高次温度特性を低減することができる。

従来技術に係る補償回路網付接近感知スイッチの構成を示す図である。 スイッチ作動距離の温度特性を示す図である。 本発明の好適な実施形態における負帰還回路網及びそのコイルの構成を示す図である。 本実施形態に係る接近感知スイッチにて使用される発振用増幅器の利得特性を示す図である。 その発振用増幅器の構成を示す図である。 本実施形態に係る接近感知スイッチの構成を示す図である。 スイッチ作動距離の利得補正前温度特性を示す図である。 図７に示す曲線から求めた利得特性を示す図である。 利得補正量決定方法を示す図である。 利得補正量を示す図である。 ある試作品におけるスイッチ作動距離の温度特性を示す図である。

Claims (16)

1. 発振用増幅器（１６）と、発振器（１２）を構成するよう発振用増幅器（１６）に付設され検知対象物からの作用を捉える半自動又は全自動温度補償型の帰還回路網（１５）と、を備える例えば誘導型の接近感知スイッチであって、
   発振用増幅器（１６）として使用される増幅モジュール（２１）と、
   発振用増幅器（１６）に付設され負帰還回路網（３８）等のカップリング用受動回路網及びそのトランスコンダクタンスを制御可能なトランスコンダクタンス増幅器（３６）を有する被制御回路網と、
   少なくとも発振用増幅器（１６）の温度を検出する温度センサ（１８）と、
   を備え、温度センサ（１８）の出力信号から制御信号を導出してトランスコンダクタンス増幅器（３６）のトランスコンダクタンスひいては被制御回路網の伝達関数を制御しそれによって発振用増幅器（１６）の利得を制御すること、即ち温度検出結果に基づきトランスコンダクタンス増幅器（３６）を動作させ発振用増幅器（１６）を制御することにより、温度による発振特性の変化を少なくとも部分的に補償することを特徴とする接近感知スイッチ。
2. 請求項１記載の接近感知スイッチであって、
   増幅モジュール（２１）への正帰還経路上には検知対象物を捉える帰還回路網（１５）が、負帰還経路上には被制御回路網があることを特徴とする接近感知スイッチ。
3. 請求項１記載の接近感知スイッチであって、
   増幅モジュール（２１）への負帰還経路上には検知対象物を捉える帰還回路網（１５）が、正帰還経路上には被制御回路網があることを特徴とする接近感知スイッチ。
4. 請求項１記載の接近感知スイッチであって、
   トランスコンダクタンス増幅器（３６）が制御電圧又は制御電流によって制御されることを特徴とする接近感知スイッチ。
5. 請求項１記載の接近感知スイッチであって、
   帰還回路網（１５）が、第１巻線（２２）及び第２巻線（２４）からなるバイファイラコイルを有し、それら第１及び第２巻線（２２，２４）が、互いに異なる本数及び太さのワイヤを撚ったストランドであることを特徴とする接近感知スイッチ。
6. 請求項５記載の接近感知スイッチであって、
   第１巻線（２２）が１本、第２巻線（２４）が複数本のワイヤから構成されたことを特徴とする接近感知スイッチ。
7. 請求項５記載の接近感知スイッチであって、
   第１巻線（２２）の方が第２巻線（２４）より個々のワイヤの断面積が広いことを特徴とする接近感知スイッチ。
8. 請求項５記載の接近感知スイッチであって、
   第１巻線（２２）を構成するワイヤの太さが６０〜１００μｍの範囲内、好ましくは約７０μｍであることを特徴とする接近感知スイッチ。
9. 請求項５記載の接近感知スイッチであって、
   第２巻線（２４）を構成するワイヤの太さが２０〜５０μｍの範囲内、好ましくは約３０μｍであることを特徴とする接近感知スイッチ。
10. 請求項１記載の接近感知スイッチであって、
    発振用増幅器（１６）の後段に縦続接続された整流器（３２）と、整流器（３２）の後段に縦続接続された比較器（３４）と、を備え、比較器（３４）における所定のしきい値との比較によりその出力がスイッチングすることを特徴とする接近感知スイッチ。
11. 請求項１記載の接近感知スイッチであって、
    帰還回路網（１５）が、発振用増幅器（１６）の出力電圧とのカップリング用のカップリングコンデンサ（２６）と、オーミックな抵抗（２８）と、を有することを特徴とする接近感知スイッチ。
12. 請求項１記載の接近感知スイッチであって、
    負温度係数温度センサ網（１９）を温度センサ（１８）として用いることを特徴とする接近感知スイッチ。
13. 請求項１０記載の接近感知スイッチであって、
    発振用増幅器（１６）の利得が変調度に応じ変化するよう増幅モジュール（２１）にその出力を供給する整流器（３２）を備えることを特徴とする接近感知スイッチ。
14. 発振用増幅器（１６）と、発振器（１２）を構成するよう発振用増幅器（１６）に付設され検知対象物からの作用を捉える半自動又は全自動温度補償型の帰還回路網（１５）と、を備える例えば誘導型の接近感知スイッチ、とりわけ請求項１乃至１３の何れか一項記載の接近感知スイッチを作動させる方法であって、
    カップリング用受動回路網及びトランスコンダクタンス増幅器（３６）を有する被制御回路網が付設された増幅モジュール（２１）を発振用増幅器（１６）として動作させ、
    温度センサ（１８）により少なくとも発振用増幅器（１６）の温度を検出し、
    温度センサ（１８）の出力信号から制御信号を導出してトランスコンダクタンス増幅器（３６）のトランスコンダクタンスひいては被制御回路網の伝達関数を制御すること、即ち温度センサ（１８）による温度計測結果に基づきトランスコンダクタンス増幅器（３６）にて利得変化を引き起こして被制御回路網の伝達関数を変化させることにより、
    温度による発振器（１２）の特性変化が少なくとも部分的に補償されるよう、発振用増幅器（１６）の利得を制御することを特徴とする方法。
15. 請求項１４記載の方法であって、
    三通りのチェック温度について補正量を求め、他の温度についてはチェック温度についての補正量に基づく補間により補正量を求め、それらの補正量に基づき発振用増幅器（１６）の利得を制御することを特徴とする方法。
16. 請求項１４記載の方法であって、発振器（１２）が迅速に発振を開始するよう発振用増幅器（１６）の利得を変調度に応じて変化させることを特徴とする方法。

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