JPH0226413B2 - - 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。

次の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、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
Gmental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Gmental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
（WT）とコレクタ−ベース接合容量（C₆b）に起
因するコンダクタンス（G_C）と容量（C_C）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
（C_C）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＋G_C）は、その値が数＋μ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＋G_C）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＋Go）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＋G_C）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
への依存性を排除し、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よつて説明す
る。

第３図において、１１は差動増幅器であり、そ
の出力端子をベース及びエミツタがそれぞれ共通
接続されたトランジスタ１３，１４のベースに接
続し、非反転入力端子をトランジスタ１３のコレ
クタに接続し、反転入力端子をトランジスタ１４
のコレクタにそれぞれ接続する。さらにトランジ
スタ１３のコレクタにはコレクタ抵抗１２を接続
し、トランジスタ１４のコレクタには、検出コイ
ル４とコンデンサ５より成る並列共振回路を接続
する。

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。第４図は第３図に示されるこの発
明の一実施例の交流等価回路である。図におい
て、gmは差動増幅器１１の相互コンダクタンス、
Y₁₃，Y₁₄はそれぞれトランジスタ１３，１４の
出力アドミタンス、Goはコレクタ抵抗１２のコ
ンダクタンスである。

差動増幅器１１の反転入力端子に、電圧信号
（vi）が入力されると、差動増幅器１１の出力電
流（i_put）は、非反転入力端子の電圧をv_oとすれ
ば、i_put＝gm（v_o−v_i）となる。ここでトランジス
タ１３と１４がほぼ同等の特性を持つものとすれ
ば、トランジスタ１３，１４のベース電流はほぼ
等しくi_b＝−１／２i_put＝−gm／２（v_o−v_i）したがつ てトランジスタ１４のコレクタ出力電流はそのエ
ミツタ接地電流増幅率をβとすれば（βi_b−
Y₁₄v_i）となり、トランジスタ１３のコレクタ出
力電流は（βi_b−Y₁₃v_o）となる。これよりコレク
タ抵抗１２に発生する電圧v_oはv_o＝βi_b／（Go＋
Y₁₃）となり、これが、差動増幅器１１の非反転
入力に帰還されるために最終的にトランジスタ１
４ののコレクタ出力電流は （Go＋Y₁₃／１＋２（Go＋Y₁₃）／gmβ−Y₁₄）v_iとなる
。

差動増幅器１１の相互コンダクタンスgmと、
トランジスタ１３，１４の電流増幅率は十分大き
くできるので、トランジスタ１４のコレクタ電流
は、 （Go＋Y₁₃−Y₁₄）v_i となる。

ここで、トランジスタ１３と１４の動作条件と
みると、差動増幅器１１の反転、非反転の入力端
子間は、イマジナルシヨートとなつているため、
トランジスタ１３と１４のコレクタ電位は等し
く、またその動作電流もほぼ等しいため、この時
のトランジスタ１３と１４の出力アドミタンスは
ほとんど同一となる。（Y₁₃＝Y₁₄）よつてトラン
ジスタ１４のコレクタ出力電流は、Goviとなり、
LC共振回路側から能動回路を見込んだアドミタ
ンスは電流の方向を考慮に入れると−Goの負性
コンダクタンスとなる。先に述べたようにGoは、
コレクタ抵抗１２のコンダクタンスであるから、
この発明の実施例の回路の負性コンダクタンス
は、電流を出力するトランジスタの出力アドミタ
ンスの影響をうけず、コレクタ抵抗１２のみによ
りきまる。さらに温度変化、電源電圧の変化等に
よつて、トランジスタ１４の出力アドミタンス
Y₁₄が変化しても、トランジスタ１３の出力アド
ミタンスY₁₃が同様に変化するため、変化は打ち
消し合い、発振回路の負性コンダクタンスには、
変化が起らない。

以上のように、この発明によれば、LC共振回
路に電流を出力するトランジスタの出力アドミタ
ンスを上記トランジスタと同様の電気的特性を持
つトランジスタの出力アドミタンスで打ち消すよ
うに差動増幅器を用いて発振回路を構成したの
で、発振回路の負性抵抗が、トランジスタの出力
アドミタンスによつて低下したり変動したりする
ことがなくなり、周囲温度や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図回路の発振回路部の等価回路図、第
３図は、この発明の一実施例を示す図路図、第４
図は、第３図回路の発振回路の交流等価回路であ
る。 図中１は発振回路、２は振幅比較回路、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、及びエミツタがそれぞれ共通に接続
   された第１、第２のトランジスタと、上記第１の
   トランジスタのコレクタに接続された抵抗と、一
   対の入力端子がそれぞれ上記第１、第２のトラン
   ジスタのコレクタに接続され、出力端子が上記ト
   ランジスタのベースに接続された差動増幅器と、
   上記第１のトランジスタのコレクタ出力電流が流
   れる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、回路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。