JPH01285884A - マイクロ波近接スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 少なくとも２つ以−Ｖの異なるレベルを持ち、これらの
レベルが一定周期で切換えられる電圧波形を用いて、Ｖ
ＣＯ特性をもつマイクロ波発振素子を駆動することによ
り、少なくとも２つ以−１−の異なる周波数のマイクロ
波を発生し、物体に向けて送波する。受波マイクロ波信
号と発振信Ｊ−５（送波信号）とをミキシングしてそれ
らの位相差を検出することにより物体の有無を判定する
。一方の周波数の送、受波信号の位相がたとえ一致した
場合であっても、他方の周波数の送、受波信号の位相は
一致しないので、物体が静止している場合であってもそ
の有無を検知できる。送、受波信号の位相差が物体の移
動にともなって変動することに起因して生１；るオン、
オフ・スイッチ出力の不安定領域を無くずために２位相
差に相当する信号のレベルを弁別する比較回路のしきい
値レベルをスイッチ出力の状態に応じて切換えるように
した。

発明の背景 技術分野 この発明は、マイクロ波を使って、マイクロ波を反射す
る物体が近傍に有るか無いかを検出する反射型マイクロ
波近接スイッチに関する。

従来技術とその問題点 磁気、電磁読導、超音波、光等を使って、工場等で製造
物の白゛無を検出する近接スイッチは。

ファクトす・オートメーション、さらにはＣＩＭ（コン
ピュータ統合生産）等の自動化の進展に伴（１，最も基
本的なセンサとして、その重要さを増している。

しかし、磁気、電磁誘導を利用した近接スイッチは、検
出距離が超音波、光等を使った近接スイッチに比べて短
く、また検出物体が磁性体。

波を使った近接スイッチでは、超音波振動ｆの機械的振
動の残響によりセンサ近傍の物体を検＋Ｈすることは困
難で、センサから１０ｃｍ〜２０ｃｍの距離範囲内の物
体を検出することはできないという欠点がある。また、
光を使った近接スイッチ（光電スイッチ）では、検出距
離は他のタイプの近接スイッチに比べて長いが、光の性
質上ガラスのような透明な物体や、つや消しの黒い表面
をもつ物体に対しては反射光が得に＜＜、検出が困難で
ある。

さらにマイクロ波を用いた従来の近接スイッチは移動し
ている物体を検出することは可能であるが、静ＩＬ物体
を確実に検出することはできないという問題がある。従
来のマイクロ波近接スイッチは単一周波数の連続発振マ
イクロ波信号を送波し、物体からの反射波を受波するも
のであり、送波信号と受波信号とを混合して位相ホモダ
イン検波により物体の有無を判定する。物体が移動して
いる場合にはドプラ効果によって反射マイクロ波＝　　
３　　＝ の周波数が変化するので検波出力を得ることができる。

ところが物体か静止していると送波信号と受波信号の周
波数が同一であるから、送波信号と受波信号の位相が一
致する位置にある物体については検波出力は零となって
しまう。

発明の概要 発明の目的 この発明は、静１１．物体も確実にかつ安定に検出でき
るマイクロ波近接スイッチを提供することを目的とする
。

発明の構成２作用および効果 この発明によるマイクロ波近接スイッチは、電圧によっ
て発振周波数か可変なマイクロ波発振手段を含むマイク
ロ波送波手段、少なくとも２以上の異なる電圧レベルを
もち、これらの電圧レベルが一定の周期で周期的に切換
わる駆動信号を発生して」−記発娠手段に与える駆動手
段、１−記発振手段による発振信号と受波信号とを混合
してその位相差を表わす信号を出力するミキシング手段
を含むマイクロ波受波手段、上記ミキシング手段の出力
信号と、マイクロ波反射物体が無い場合の１−記ミキシ
ング手段出力に相当する基準信号とを比較して、その差
を表わす信号を出力する差動手段。

−１−記差動手段の出力信号のレベルを所定のしきい値
レベルと比較し、比較結果に応じて物体の検知信号を発
生する比較手段、および物体検知信号の状態に応じて土
足比較手段のしきい値レベルを少なくとも２つのレベル
の間で、物体検知信号の状態を維持する方のレベルに切
換えるレベル変更手段を備えていることを特徴とする。

この発明のマイクロ波近接スイッチによると。

マイクロ波発振手段を少なくとも２つ以上の異なる電圧
レベルをもつ駆動信号で駆動することにより、少なくと
も２つ以上の異なる周波数のマイクロ波を周期的に時分
割で送波している。したがって、一方の周波数のマイク
ロ波の送波信号と受波信号（物体からの反射マイクロ波
）の位相が一致する位置にあったとしても、他方の周波
数のマイクロ波の送波信号と受波信号には位相差があり
。

この位相差を表わす信号をレベル弁別することにより物
体検知の白゛無を表わすスイッチ出力を得るこ占か可能
となる。これにより静止物体がどの位ｉ”にあってもそ
の検出を確実に行なうことができる。

またこの発明では、−１−記の位相差に相当する信号の
レベルを弁別する比較手段のしきい値レベルをスイッチ
出力の状態に応して切換えるようにしたので、送、受波
信号の位相差か物体の移動にともなって変動することに
起因して生じるスイッチ出力の不安定鎖酸をなくするこ
とができる。

この発明によるマイクロ波近接スイッチは。

光に対して透明なガラスや光を反射しない黒色の表面を
もつ物体の検知も［ｉ）能である。さらに、ス・イソチ
近傍にデソト・ゾーンかなく距離Ｏｃｍからの物体検出
かｉ＋Ｊ能であり、検出可能距離も比較的長くとること
かできる。

実施例の説明 第１図はマイクロ波近接スイッチの電気的構成を示して
いる。

駆動回路１１は、ｉＦのオフセット電圧をもち、２つの
異なる電圧レベルＶ　　、Ｖ２が一定周期で交互に現わ
れる波形の駆動信号を発生ずる。この駆動信号は、ＶＣ
Ｏ（電圧制御発振）特性をもつマイクロ波発振器１２に
与えられるとともに、基準電ぢとし、て差動増幅回路１
６の一方の入力端子に入力する。この駆動信号（基準信
号）の波形の一例が第２図の左側に示されている。

マイクロ波発振器１２は、駆動信号が電圧■１のときに
周波数ｆ１のマイクロ波を、電圧■２のときにｆｌとは
異なる周波数ｆ２のマイクロ波をそれぞれ発生するもの
で１　この発振マイクロ波は送受波器（アンテナ、レン
ズ等）１４を杆て物体３ｏの検知領域に向けて送波され
る。マイクロ波発振器はガン・ダイオードを含む。

ミキサ（ミキシング回路）１３は、物体３ｏから反射し
て戻りかつ送受波器１４て受波されたマイクロ波信号（
受波信号）を発振器１２の発振出力（送波信号）と混合
するもので、ガン・ダイオードとア、ノード端子を共通
に接続された２乗検波ダイオードを含む。このミキサー
３で得られる高周波成分は＝　　　７　　　＝ きわめて高い周波数（たとえば数十Ｇ　Ｈｚ　）をもつ
ために減衰し、ミキサ１３からは送波信号と受波信号の
位相差を表わす信号成分のみが出力される。

増幅回路１５はミキサ１３の出力を、」１記基準信号の
レベルまで増幅するもので、オフセットの増幅率と振幅
の増幅率を独立に調整できるものである。物体が検知領
域内に存在しない場合のミキサ出力か第２図中央に描か
れている。増幅回路１５はこのようなミキサＨ１力を、
＠２図右側に示されるように、上述した基準信号と全く
同じ波形の信号に増幅するものである。物体か存在する
場合には、ミキサ出力には上記位相差成分が現オ〕れ、
第２図中央に図示のものと異なる波形のものとなるから
増幅回路１５の出力も後述するように基準信号とは異な
る波形となる。増幅回路１５の出力は差動増幅回路１６
の他、ｂの入力端子に入力する。

差動増幅回路１６は、増幅回路１５を経て入力するミキ
サ出力と基準信号（上述のように物体が存在しない場合
のミキサ出力に等しい）との差を増幅する勧きをするも
のて、差を絶対値化する絶対値回路を含む。差動増幅回
路１６の出力信号はコンパレータ１７に入力する。

コンパレータ１７は、差動増幅回路１６の出力信号を加
算回路２０から与えられるしきい値レベルの電圧と比較
し、上記出力信号レベルがこのしきい値Ｌノベルを超え
たときにＨレベルの信号を発生する。コンパレータＩ７
の出力は積分回路１８に与えられる。

積分回路Ｉ８はコンパレータ１７の出力がＨレベルのと
きに急速に充電し、Ｌレベルのときにゆっくりと放電す
る回路である。出力回路１９は、積分回路１８の出力か
ら十分大きな出力電流または出力電圧をつくり出すもの
で、積分回路１８の出力を所定のしきい値と比較するコ
ンパレータを含む。出力回路１９の出力がこのマイクロ
波近接スイッチのオン、オフ・スイッチ出力信号である
。

加算回路２０は、スイッチ出力信号の状態に応じて基準
電圧発生回路の出力電圧Ｖ。に所定電圧を加算してコン
パレータ１７の上記しきい値レベルを変更するものであ
り、詳しくは後述する。基準電圧発生回路の出力電圧■
。は可変であることか好ましい。

第１図の回路では物体か存在しないときのミキサ１８の
出力信号を増幅回路１５によって駆動回路１１の出力信
号に一致させているが、駆動回路１１の出力信号を加工
してミキサ■３の出力信号（またはその増幅された信号
）に一致させるようにしてもよい。また差動増幅回路１
６の出力を積分し、たのちにコンパレータにおいて所定
のしきい値と比較してオン２オフ信号を作成するように
してもよい。

第３図は２つの周波数ｆ　　、ｆ　　で交互に発振した
マイクロ波を用いて静止物体を検出する原理を示すもの
である。第３図（Ａ）は周波数ｆ１のマイクロ波の送波
信号（実線で示す）と受波信号（破線で示す、物体３０
からの反射波）との位相が一致している様子を示すもの
である。この周波数ｆ、については、第３図（Ｃ）に示
すように、ミキサ出力（第３図および第４図ならびにそ
の説明においてミキサ出力とは増幅回路１５て増幅され
たのちの出力を指す）は基準信号と一致してしまい。

こイ１らの差動出力は零となる。しかしながら１周波数
ｆ１の送波信号と受波信号の位相か−・致し、たとして
も、これと異なる周波数ｆ２については。

第３図（Ｂ）に示すように、送波信号（実線）と物体３
０からの反射波である受波信号（破線）の位相は同一と
なることはなく、第３図（Ｃ）に承ずように、基準信号
とレベル差をもつミキサ出力か得られる。

このようにして、たとえ一方の周波数のマイクロ波にお
いて送波と受波か同一位相になっても。

他方の周波数のマイクロ波においては物体か存在しない
場合のミキサ出力とは異なるミキサ出力か期待でき、ミ
キサ出力か全体として基準信号と一致することはない。

このようにして静止した検出物体３０がいかなる位置に
あっても、ミキサ出力は第４図に示す（Ａ）　、　　（
Ｂ）　、　（Ｃ）　、　（Ｄ）の４通りのいずれかとな
り、検知範囲内に物体３０がある限り、基準信号と完全
に一致することはない。

上述のように基準信号とミキサ出力との差が差動増幅回
路１６で増幅された後、コンパレータ１７に送られるが
、差動増幅回路１６は絶対値回路を含むため第４図（Ａ
）と（Ｄ）および（Ｂ）と（Ｃ）はそれぞれ同じ差動出
力が得られ、この出力は常に正の電圧値となる。第４図
（Ａ）と（Ｄ）のミキサ出力については、コンパレータ
１７出力は常にＨレベル（物体を検出している）の状態
となるが、第４図（Ｂ）と（Ｃ）に示すミキサ出力につ
いては第５図に示すように、ＨレベルとＬレベルとを交
互に繰り返す。しかしながら上述したように充放電の時
定数が異なる積分回路１８によって、積分回路１８の出
力波形は常にある一定のレベル以上となる。したがって
、出力回路１９に内包されたコンノくレータによって検
出有の出力を得ることが可能となる。

しかしなから、差動増幅回路１６の出力は、第６図最−
１−段に示すように、物体３０とマイクロ波近接スイッ
チ１０のか離か半波長の整数倍のとき（以後、これを特
異点と呼ぶ）を極小としな力くら、物体３０がスイッチ
ｌＯから遠ざかるにしだ力くって全体のレベルが下かつ
ていくので、スイ・ソチ出力がオン、オフを繰り返す領
域が出てくる。すなわち。

コンパレータ１７のしきい値レベルを固定しておくと、
ある特異点で差動出力が最初にしきい値以下になってス
イッチ出力がオフとなった後も、差動出力が再び増加す
るのでまたスイッチ出力がオンとなることが予想される
。このような状態は、差動出力の極大レベルか、しきい
値より小さくなる距離まで繰り返される。

このような不安定オン／オフ領域を無くすために、この
発明においては、スイッチ出力の状態によってコンパレ
ータ１７のしぎい値を変える構成としている。すなわち
、スイッチ出力がオン状態のときには、コンパレータ１
７のしきい値を下げて容易にはオフしないようにし、オ
フ状態においては、しきい値を上げて容易にはオンとな
らないようにしている。

第６図に示すように、オンしきい値をオフｊ〜きい値よ
りも高いレベルに設定すれば、安定したオンと安定した
オフの領域のみになる。この場合。

オン／オフは距離に対してヒステリシスをもつ。

出勾回路１９のス・イッチ出力に応して−に述のように
コ一・くレータ１７のしきい値を切換えるように作用す
るのが＋ＪＩ＋　、１１　ｍｌ回路０である。加算回路
２０は、スイ、・千出力かオーのときは基準電圧発生回
路の出カフ１＼月Ｖｏをそのままオフしきい値としてコ
ンパし・−夕１７のしきい値として与え、オフのときは
ある電圧Ｖ　　を加算してコンパレータ１７にオンしＯ
Ｐ　ｌコ きい値として与える。または、加算回路２０は。

スイッチ出力かオンのときに電圧ｖｏＮを、オフのとき
に電圧ｙ　　　ｚ電圧Ｖｏに加算しごそれぞれ（）１２
Ｆ　　’− オフ、オンしきい値として出力する。この場合。

Ｖ　くＶ　　である。

ＯＮ　　　ＯＦＦ 以１−のようにして、このマイクロ波近接スイッチでは
１反η、Ｊ型で、しかも安定して静１１−物体の検出か
ｉｉＪ能となる。もちろん移動物体の検出も可能である
。

マイクロ波は、光に対【、て透明なガラスに対しても透
明にならす１　また光をほとんど反射し、ないつや消し
の表面をもつ金属、樹脂等に対しても十分な反射波か得
られるため１両者とも検出可能である。したがって、従
来の反射型の光電スイッチで検出が困難なこれらの物体
も検出が可能となる。

さらに」二連した検出原理からも明らかのように、超音
波近接スイッチのように近接にデッド・ゾーンが無く、
距離０ｃｘＩからの物体検出が可能である。検出距離は
２デイバイスの能力によっても異なるが、　２４ＧＨｚ
　、駆動周波数５００　ｔｌ　ｚ　、出力５１Ｗのマイ
クロ波を用いた場合、１０ｃｍ程度の検出距離は十分可
能であり、磁気型、電磁誘導型近接スイッチの通常の最
大の検出距離である２ＣＪ１１程度より十分長い。

マイクロ波近接スイッチは物体表面の色や多少の凹凸に
も影響を受けることなく検出が可能であるとともに、マ
イクロ波はダンボール箱等を透過するので、ダンボール
箱内に物体が存在するかどうかの非破壊透視検査にも応
用可能である。

−１−記実施例では、アナログ回路によってミキサ出力
を信号処理しているが、ミキサ出力をＡ／Ｄ変換した後
、ディジタル信号処理プロセッサまたはＣＰＵによって
、アナログ信号処理回路と等価なデインタル信号処理を
行うこともできるのはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例のマイクロ波近接スイッチの
電気的構成を示すブロック図である。 第２図は基準信号およびミキサ出力を増幅する様ｆを示
す波形図である。 第３図（Ａ）　、　（Ｂ）はマイクロ波送波と受波の位
相関係を示すものであり、（Ｃ）は得られるミキサ出力
を示す波形図である。 第４図（＾）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）　、　（Ｄ）は
種々のミキサ出力を示す波形図である。 第５図はコンパレータと積分回路の出力波形の一例を示
す波形図である。 第６図はオン、オフのしきい値に差を設けた場合の差動
出力およびスイッチ出力を示すものである。 ■・・マイクロ波近接スイッチ。 １１・・駆動回路。 １２−・発振回路。 １３　　ミキサ。 １Ｇ・差動増幅回路。 １７・・・コンパレータ。 １８・・・積分回路 １９・・・出力回路。 ２０・・・加算回路。 以−１二 特許出願人　　立石電機株式会社 代　理　人　　　弁理士　牛　久　健　司（外１名） 第３図 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） 時間− 第４図 （Ａ） （Ｃ） （Ｄ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電圧によって発振周波数が可変なマイクロ波発振手段を
   含むマイクロ波送波手段、 少なくとも２以上の異なる電圧レベルをもち、これらの
   電圧レベルが一定の周期で周期的に切換わる駆動信号を
   発生して上記発振手段に与える駆動手段、 上記発振手段による発振信号と受波信号とを混合してそ
   の位相差を表わす信号を出力するミキシング手段を含む
   マイクロ波受波手段、 上記ミキシング手段の出力信号と、マイクロ波反射物体
   が無い場合の上記ミキシング手段出力に相当する基準信
   号とを比較して、その差を表わす信号を出力する差動手
   段、 上記差動手段の出力信号のレベルを所定のしきい値レベ
   ルと比較し、比較結果に応じて物体の検知信号を発生す
   る比較手段、および 物体検知信号の状態に応じて上記比較手段のしきい値レ
   ベルを少なくとも２つのレベルの間で、物体検知信号の
   状態を維持する方のレベルに切換えるレベル変更手段、 を備えたマイクロ波近接スイッチ。