JPH0226412B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、金属の近接の有無を検出する近接
スイツチ発振回路に関するものである。

従来この種の発振回路を用いた近接スイツチと
して第１図に示すものがあつた。図において１は
発振回路、２は発振回路の発振振幅を所定のレベ
ルと比較し、発振振幅の大小を判定する振幅比較
回路、３は振幅比較回路の出力を増幅し外部に出
力する出力回路である。

上記発振回路１の構成を説明すれば、４は検出
コイル、５は上記検出コイル４とともに並列共振
回路を構成するコンデンサ、６はエミツタホロワ
接続のトランジスタ、７はそのエミツタ抵抗、
８，９はトランジスタ６のコレクタ出力電流に等
しい電流を出力するカレントミラー回路を構成す
る２つのトランジスタ、１０はトランジスタ６に
一定の直流ベースバイアスを与える直流バイアス
回路である。

次にこのように構成された回路の動作を説明す
る。トランジスタ６のベース電位が上昇すると、
そのエミツタ電位が上昇し、エミツタ抵抗７を流
れる電流すなわちトランジスタ６のエミツタ電流
が増す。これに伴いコレクタ電流は、エミツタ電
流とほぼ等しい分増加することになり、このエミ
ツタホロワ構成のトランジスタ６はベースの電位
をコレクタの電流に変換する電圧−電流変換回路
の役を成す。トランジスタ６のコレクタ電流は、
トランジスタ８，９より成るカレントミラー回路
を駆動し、トランジスタ９からはトランジスタ６
のコレクタ電流に等しい電流が出力される。トラ
ンジスタ６のベースとトランジスタ９のコレクタ
は接続される為、トランジスタ６のベース点(A)の
電位を上昇させると(A)点には該(A)点電位に対応し
てトランジスタ９より電流が出力される。従つて
バイアス回路１０のインピーダンスを零とすれ
ば、検出コイル４コンデンサ５よりなる並列共振
回路から見込んだアドミタンスは負性コンダクタ
ンス性となり、その負性コンダクタンス値はほぼ
エミツタ抵抗７の逆数に等しい。

さて、LCの共振回路は必ず損失を有するため、
端子間に外来雑音や、回路素子の発生する雑音に
より振動電圧が生じても、必ず減衰する。しか
し、上記回路では、この共振回路に並列に負性コ
ンダクタンスが接続されるので、共振回路の損失
分すなわちコンダクタンス成分により消費される
電力が、回路の負性コンダクタンスにより供給さ
れる電力で打ち消されるため、実質的には損失が
零、あるいは負の共振回路が構成され、発生した
振動電圧は持続、あるいは成長して回路は発振状
態となる。発振振幅は回路の飽和等による非線形
領域に入るまで成長し、負性コンダクタンスの非
線形性で一定値に固定される。

このように回路が発振状態にあるとき、検出コ
イル４からは交流磁界が外部に向けて発生する。
検出コイル４の近傍に金属が位置すると、金属内
部には、上記コイル４からの交流磁界が通じ、こ
の磁界による磁束変化によつて金属には渦電流が
誘起され、金属中を流れるために金属中で電力の
消費が発生する。金属中で消費される電力は全て
検出コイルから供給されるため発振回路から見る
と、金属の近接は、検出コイルに並列にコンダク
タンスが付加されたことと等価になる。したがつ
て発振回路の全コンダクタンスは、能動回路の負
性コンダクタンス（−Go）と、LC共振回路自体
の損失に相当するコンダクタンス（Gtank）と、
さらに金属の近接により生じたコンダクタンス
（Gmetal）の和であり、−Go＋Gtank＋Gmetalと
なる。この値が負であるときには、回路は発振を
続けるが正になると、発振回路の損失が正とな
り、回路は減衰振動をしながら発振を停止する。

金属の近接により生じるコンダクタンス
（Gmetal）は、検出コイル４と被検出金属の位置
の関数となり、その値は、距離が接近する程大き
くなるので、金属の近接がない時の負性コンダク
タンス（−Gsens＝−Go＋Gtank）よりも小さな
Gmetalに対応する位置に金属があるときは発振
を続け、近接してGsensよりもGmetalが大きく
なれば発振を停止する。

以上のように発振持続時を金属の存在の無い状
態とし、金属が存在するときには発振を停止する
のが上記発振回路の機能である。発振の持続、停
止の境界の位置は前記−Gsensによりきまるの
で、LC共振回路の損失Gtankが一定であれば、
能動回路の負性コンダクタンス−Goすなわちエ
ミツタ抵抗７の値の選択によつて任意に発振の持
続、停止の位置を設定することができる。

従来の近接スイツチ発振回路は以上のように構
成されるが、LC共振回路の振動電圧に応じた電
流を出力するカレントミラー回路を構成するトラ
ンジスタ９の出力アドミタンスがLC共振回路と
並列に入るため、LC共振回路から見込む能動回
路の入力アドミタンスは、エミツタ抵抗７で設定
した負性コンダクタンス（−Go）に並列に上記
トランジスタ９の出力アドミタンスを加えたもの
となり、実効の負性コンダクタンスは（−Go）
から、トランジスタ９の出力アドミタンスのコン
ダクタンス分を差し引いたものとなり、その値は
小さくなる。

一般に高周波域でのエミツタ接地トランジスタ
の出力アドミタンスは、ベース開放出力アドミタ
ンス（hoeと並列に、電流利得一帯域幅積（w_T）
とコレクターベース接合容量（Ccb）に起因する
コンダクタンス（Gc）と容量（Cc）との並列回
路が付加されたもので表わされるので、従来回路
の等価回路は第２図で示される。ここで（Cc）
で示される容量分は通常、LC共振回路のコンデ
ンサ５の容量に比べて非常に小さく、実使用上は
無視できる。しかし、コンダクタンス分（hoe＋
Gc）は、その値が数十μΩにも及ぶ大きなもの
で、能動回路の負性コンダクタンスを低下させ実
効の負性コンダクタンスを−Ｇ（＝−Go＋hoe＋
Gc）とする。

さてここで、実際の金属検出時を考えると、検
出する金属の位置は、回路の負性コンダクタンス
の値−Ｇから、共振回路の損失を差引いた値−
Gsens（＝−Ｇ＋Gtank）に対応する。普通Gsens
の値はGtankの数＋％程度であるが、特に遠方の
金属を検出する高感度領域では、数％の僅かな値
となり、負性コンダクタンス（−Ｇ）の微少な変
化はGsensには大きな変化として表われるので、
負性コンダクタンス（−Ｇ）の値は常に安定な一
定値を保たねば、金属の検出位置に変化が起る。
ところが、負性コンダクタンス（−Ｇ）に影響を
与えるコンダクタンス分（hoe＋Gc）は、トラン
ジスタの特性により決定されるもので、その値
は、周囲温度、エミツタ電流、コレクタ・エミツ
タ間電圧等によつて大幅に変化する。従つて従来
回路の負性コンダクタンス（−Ｇ）は上記のよう
な使用条件によつて変化し、これに伴い、実際の
金属検出感度に対応する−Gsensには、上記トラ
ンジスタの出力アドミタンスのコンダクタンス分
（hoe＋Gc）の変化分そのものが現われ金属の検
出位置を変化せしめる。

このように、従来回路では、温度や、電源電圧
等により、回路の負性コンダクタンスが変化する
ので、広い温度範囲での使用や、高精度の位置検
出、その他、Gsensの小さな高感度領域での使用
には問題があつた。

この発明は上記実状に鑑みてなされたもので、
負性コンダクタンス値の周囲温度や、電源電圧等
への依存性を排徐し、常に一定の検出感度を持つ
近接スイツチを構成するための発振回路を提供す
ることを目的とする。

以下この発明の一実施例を図について説明す
る。第３図において、トランジスタ１１はエミツ
タがトランジスタ９のコレクタに接続され、コレ
クタが(A)点に接続され、ベースが抵抗１５にそれ
ぞれ接続される。さらに該トランジスタ１１のベ
ースは、ダイオード１３，１４および抵抗１５の
直列回路より成るベースバイアス回路１２によつ
て一定の電位に保たれる。

このように構成されたこの発明の一実施例の動
作を説明する。LC共振回路に発生した振動電圧
は、従来回路と同様にトランジスタ６によつて、
エミツタ抵抗７によりきまる電流に変換され、ト
ランジスタ８，９より成るカレントミラー回路を
駆動する。トランジスタ９からの出力電流はカス
ケード接続されたトランジスタ１１のエミツタに
入力されるが、トランジスタ１１はベースが一定
電位に保持されたベース接地回路となつており、
エミツタ入力電流は、電流利得がほぼ１でコレク
タへ出力されトランジスタ６のベース点(A)に帰還
され、LC共振回路から能動回路側を見込んだア
ドミタンスは負性コンダクタンス性となる。実際
の金属検出動作については従来回路と同じであり
説明を省く。

さて、従来例のカレントミラー回路のトランジ
スタ９のコレクタ出力に相当する、電流出力端子
は、この発明の実施例では、トランジスタ１１の
コレクタとなる。このトランジスタ１１のコレク
タの出力アドミタンスは、接地形式がベース接地
であるため、そのエミツタ接地出力アドミタンス
をエミツタ接地電流増幅率hfeで徐したものとな
る。従来例でのカレントミラー回路出力のトラン
ジスタ９と、この発明の実施例のトランジスタ１
１とでは、エミツタ電流等の動作条件はほぼ等し
いので、エミツタ接地出力アドミタンスは、ほぼ
同じ値となり、実施例は従来例に比べて電流出力
トランジスタ１１のコレクタを見込んだアドミタ
ンスが、hfe倍改善され（hoe＋Gc）／hfeとな
る。

したがつて実施例の実際の負性コンダクタンス
は −Ｇ＝−Go＋（hoe＋Gc）／hfe となり、周囲温度その他の変動に対しての負性コ
ンダクタンス（−Ｇ）の変化は、大幅に小さくな
る。トランジスタ１１にhfeの十分大きなトラン
ジスタを用いれば、トランジスタ１１の出力アド
ミタンスによる負性抵抗の減少あるいは変動をほ
とんど無視できる程度にまで徐くことができ、広
い温度範囲において、電源電圧等に依存せず、常
に一定の負性コンダクタンスが得られる。

以上のように、この発明によれば、カレントミ
ラー回路の出力にベース接地のトランジスタ増幅
器をカスケードに接続することにより電流を出力
するトランジスタの出力アドミタンスによる、発
振回路の負性抵抗の減少、変動がなくなり、温
度、電源電圧等に依存しない高精度、高感度の近
接スイツチを構成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の近接スイツチを示す回路図、第
２図は第１図回路の発振回路の等価回路図、第３
図はこの発明の一実施例を示す回路図である。 図中１は発振回路、２は発振振幅比較回路、３
は出力回路、４は検出コイル、５は共振コンデン
サ、１０は直流バイアス回路、１２はベースバイ
アス回路である。なお図中同一符号は同一、又は
相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ベース電圧を電流に変換するためのエミツタ
   ホロワ接続の第１のトランジスタと、そのエミツ
   タ抵抗と、上記第１のトランジスタのコレクタ電
   流に相当する電流を出力する第２、第３のトラン
   ジスタより成るカレントミラー回路と、エミツタ
   が上記カレントミラー回路の出力に接続され、コ
   レクタが上記第１のトランジスタのベースにそれ
   ぞれ接続された第４のトランジスタと、第４のト
   ランジスタに一定のベース直流バイアスを与える
   ベースバイアス回路と、上記第４のトランジスタ
   のコレクタ出力電流が流れ込むように接続された
   検出コイルとコンデンサより成る並列共振回路
   と、第１のトランジスタの直流動作点を設定する
   直流バイアス回路を備えた近接スイツチ発振回
   路。