JPH0250521A - 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】 〔産業上の利用分野］ 本発明は検出領域に金属物体が存在する場合にのみ検出
信号を出力する近接スイッチに関する。

〔従来の技術〕

従来、金属物体の存在を検出するための機器としては、
ループコイルを用い、その内部を金属物体が通過した場
合の磁束密度の変化を捉え、これを検出信号に変換する
ものが知られている。しかし、この構成では周囲にシー
ルドを施さなければならない等、機器が大型化すると共
に、設置費用が高く、その割には検出結果に安定を欠く
という欠点がある。

また上記機器とは別の手段を用いて金属物体を検出する
構成として、高周波発振により、その振幅の変化を検出
する近接スイッチがある。この近接スイッチでは、第６
図、第７図に示すように検出コイル１イｌを発振回路の
一部に組み込み、金属物体が近接した場合にコイルのイ
ンピーダンスが変化して発振が停止することを利用し、
この発振波形を検波後、コンパレータによって一定電圧
以下に検波電圧が降下した場合にコンパレータを“Ｈ”
にし、これによって検出信号を出力するというものであ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の従来例では、コイルのインピーダンスの変化が直
接発振回路の出力電圧の変化につながるので、これを比
較演算すれば足り、回路構成がきわめて簡単である。

しかし、発振回路は本来不安定な条件にあるからこそ発
振を開始するものであり、これを検出の基準とすること
はスイッチングに安定を欠く原因となる。また、温度変
化によって発振回路の定数が変化するが、振幅はそれに
応じて太き（変化してしまうので、長距離の検出の場合
には誤差が大きすぎて使用することができない。従って
、実際の使用に際しては検出コイルをできるだけ金属物
体に近づけなければならないが、被検出物体に凹凸があ
る場合には一定距離以上接近することは不可能であるし
、あまり近づけすぎると被検出物体に接触して破損して
しまうことがある。またさらに、発振の振幅量の変化は
金属物体が近づくときと遠ざかるときとでは異なるため
、スイッチのオン・オフのレベルを別々に設定しなけれ
ばならないが、従来例の構成では応差距離の精度が低い
という問題もあった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、従来に比較
して長距離の検出領域を有し、スイッチのオン・オフの
応差の少ない精度の高い近接スイッチを捷供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、所定の間隔で減衰
振動を繰り返し、金属物体との距離に比例して減衰時間
が短縮する共振回路と、この共振回路の減衰波形を入力
するバッファアンプと、このバッファアンプの出力を複
数の電圧レベルで比較し、それぞれの比較値を出力する
比較回路と、上記電圧レベルのうち絶対値の小さいレベ
ルの比較値で上記減衰波形と同期してクロックをカウン
トすると共に上記比較出力が停止すればクロ・７り選択
回路によって内部クロックを連続してカウントするＮ進
カウンタと、上記Ｎ進カウンタのｎカウント目に判定タ
イミング信号を出力し、このタイミングで上記電圧レベ
ルのうち絶対値の大きいレベルの比較信号が出力されな
い場合に金属物体の検出を検知する同期回路とを備える
と共に、Ｎ進カウンタのＮカウント目に共振回路を駆動
するという手段を用いた。

〔作　　　用〕

共振回路にはＮ進カウンタのカウント周期に応じてパル
ス状の電流を流し、これによってコイルを駆動して減衰
振動を繰り返すが、検出領域に金属物体がない場合には
減衰時間は長く、金属物体がある場合にはその距離に比
例して減衰時間は短くなる。共振波形はバッファアンプ
を介して比較回路に入力されるが、バッファアンプでは
高インピーダンスによって共振回路と次段との相互影響
を阻止している。Ｎ進カウンタでは一連レベルの比較信
号が出力されている場合は減衰波形と同期して、また比
較信号が出力されなくなればクロック選択回路によって
内部クロックを選択して連続してカウントし、機器の一
連の動作を制御する。

Ｎ進カウンタのｎカウント目には判定タイミング信号が
出力され、このタイミング内で別の比較信号が出力され
ない場合は金属物体を検知したものとして扱い以降の動
作表示等を行う作用を奏する。

〔実　施　例〕

以下、本発明の近接スイッチの一実施例を図面に従って
詳述すると、第１図中１はコイル、２はコンデンサで、
両者で共振回路を構成する。３は高インピーダンスのバ
ッファアンプで、これを通して減衰波形をとりだすため
、回路の影響を受けずに共振回路のＱの変化を検出する
ことができる。

４・５はそれぞれコンパレータで、別個の電圧レベルを
比較値とし、減衰波形と比較して次段に“Ｈ”・“Ｌ”
を出力する比較回路を構成する。

次に、６は内部クロックと外部クロックとを適宜選択す
るクロック選択回路、７は内部クロックとして機能する
パルス発振回路、８はクロック数に応じて次段に制御信
号を出力する１６進カウンタ、９は同期回路で、１６進
カウンタ８から出力される検出タイミング信号の間にコ
ンパレータ５からの出力の有無を判定し、出力回路１０
へ信号を出力する。１１はドライブ回路で、１６進カウ
ンタの１周期でオンし、共振回路にパルスを送り、これ
を駆動させる。なおコンパレータ４・５の比較値は、電
圧レベルの絶対値として４く５の関係にある。

次に、本発明の近接スイッチの動作を説明すると、第２
図に示すようにドライブ回路１１からのパルス波によっ
て駆動された共振回路の減衰波形は、検出領域に金属物
体が存在しない場合とする場合とでは減衰時間が異なる
。即ち、減衰の時定数は共振回路のＱに関係しており、
Ｑが高い（大きい）ときは減衰の時定数は大きく、振動
波形は長く続く。ところが、検出領域に金属物体が接近
すると、コイル１のインピーダンスが変化して共振回路
のＱが低下し、減衰時間が短縮される。また、この減衰
時間は金属物体とコイル１との距離に比例して短くなる
のである。これは第３図に示すように金属物体が接近す
ることによって仮想の抵抗であるｒｅが共振回路と等測
的に並列に存在するものと考えることができる。従って
、Ｑの値は金属物体が存在しない場合には、 ωＬ Ｑ＝ であり、 金属物体が検出領域に存在する場合には、ｒｏ：コイル
の直流抵抗 Ｌ：インダクタンス ω：共振周波数 つまり、コイルの電流によって金属物体内部にうず電流
が生じ、これによって吸収されたエネルギーが損失抵抗
として減衰時間を短縮させるのである。

ということは、金属物体が存在しない場合の減衰波形を
標準波形とすると、金属物体によって影響を受けている
減衰波形は標準波形の同一振動回数と比べればその電圧
レベルは必ず低くなる。従って、ある一定の電圧レベル
を設定し、ｎ回目の振動レベルをとれば標準波形におい
ては上記電圧レベルに達するが、金属物体がある場合の
減衰波形ではこの電圧レベルに達しないということにな
る。本発明ではこの比較電圧レベルにおいてｎ回目の振
動がある電圧レベルに達しているか否かを検出情報とし
たものである。本実施例では減衰波形の振幅のうち、第
８回目の振幅を比較値として一定の電圧レベルを設定し
、この第８回目の振幅が一定の電圧レベルｖ２に達して
いるか否かを検知し、達していない場合には金属物体が
検出領域に存在するものとした。

ここで、各ブロックの機能を順次追ってゆくと、バ、７
フアアンプ３を通過した減衰波形はコンパレータ４・５
に並列入力される。コンパレータ４は１６進カウンタ８
のカウントを進めるための外部クロックをとり、減衰波
形の振幅に同期してカウントを進める。次に、減衰波形
の電圧レベルがＶ。

より低くなってコンパレータ４の出力がローになればク
ロック選択回路６によって１６進カウンタ８の進行は内
部クロックであるパルス発振回路７によって行われる。

カウントが８回になれば１６進カウンタ８から同期回路
９へ判定タイミング信号が出力され、この間のコンパレ
ータ５の出力のレベルを判定し、電圧レベルが７２以上
で出力が“Ｈ”になれば減衰時間の長い標準波形である
として金属物体が検出されないものとして扱う。反対に
電圧レベルが７２未満で出力が“Ｌ”になれば減衰時間
が短縮されているので金属物体が検出領域にあるものと
して検出信号を出力回路１０から出力する。次に、１６
進カウンタが１６回カウントを進めたときには（０から
開始して１５を指すとき）、ドライブ回路１１をオンし
、共振回路を再度駆動し、上述の動作を繰り返すのであ
る。

本実施例では１６進カウンタ８の第８カウント目に判定
タイミング信号を出力したが、これより大きいカウント
で信号を出力することも可能であり、この場合には検出
領域はより拡大する。ただし、比較電圧レベルを低く設
定しなければならず、コンパレータ４・５は精度の高い
ものが要求されることになる。

次に、クロック選択回路６による内部クロソクと外部ク
ロックとの切替え制御を第４図に示すブロック図に従っ
て説明すると、ドライブ回路１１によって共振回路を駆
動すると減衰波形が生じるが、コンパレータ４の出力は
減衰波形に応じて“Ｈ”“Ｌ″を繰り返す。この信号は
アンドゲート１２に入力され、続いて積分回路１３に入
力される。アンドゲート１２がスイッチングを繰り返し
ている間は積分回路１３の出力はのこぎり波となり、“
Ｈ”のレベルまで上昇しない。次に積分回路１３の出力
を切替回路１４に入力し、“Ｌｌの場合にはコンパレー
タ４の出力を直接選択するようにしておけば、減衰波形
と同期したコンパレータ４の出力が１６進カウンタ８に
よってカウントされる。一方、減衰波形の振幅が小さく
なってコンパレータ４から連続して“Ｌ”が出力される
ようになればアンドゲート１２の出力は“Ｈ”になり積
分時間が長くなるので、積分回路１３の出力はハイにな
る。この場合には切替回路１４はパルス発振回路７の出
力を選択し、上記コンパレータ４によるカウントに続け
てカウントを積算するのである。従って金属物体が相当
に近接してコンパレータ４の出力が８回未満で終了した
場合でも、パルス発振回路７によるカウントが積算され
るので、確実に判定タイミング信号を出力することがで
きる。１５はインバータで、１６進カウンタ８が１５カ
ウントを積算してドライブ回路１１をオンさせた場合の
振幅をカウントすることのないように機能する。

第５図は金属物体が検出領域に存在しない場合とする場
合とのバッファアンプ出力波形に対応した各回路の入出
力波形図で、時系列に沿って金属物体なしの場合とあり
の場合とを連続して示している。図中の波形図は、上段
からそれぞれバッファアンプ出力、コンパレータ４出力
、積分回路１３出力、１６進カウンタ８人力、パルス発
振回路７出力、判定タイミング信号、コンパレータ５の
第８回目の出力、ドライブ回路駆動用信号出力である。

次表は、本発明の減衰振動形の近接スイッチと従来の振
幅変化検出形の近接スイッチとの検出可能距離をコイル
径に応じて対比したものであるが、本発明品は従来品と
比べて約２倍の検出領域を有することがわかる。また、
近接スイッチの検知開始距離と検知終了距離との差（応
差距離）についても従来品では１４％であったものが、
本発明品では７％と検出精度も約２倍に高まった。

〔発明の効果〕

本発明の近接スイッチでは高インピーダンスのバ・ノフ
ァアンプ（高入力抵抗の増幅器）を通して減衰波形をと
りだすため、回路の影響を受けずに検出コイルのＱの変
化を確実に検出することができるので、検出コイルの性
能を十分に発揮できてレスポンスが良好であると共に、
コンパレータの次段以降は全て温度や電圧の影響を受け
ないデジタル回路で構成されているため安定性が高く、
両者が相俟って長距離の検出が可能となった。

また、パルスによって共振回路を駆動しているため、従
来のように常時コイルを交流電流によって励磁する必要
はなく、消費電流が少なくてすみ省エネルギー型にする
ことができた。

さらに、減衰波形の違いに着目して特定回数目の振動波
形を検出情報として一定の電圧レベルで比較するように
しているので、検出対象を確実に把握することができ、
信頼性の高い近接スイッチとすることができた。

さらにまた、Ｎ進カウンタのカウントの積算は比較出力
がある間は減衰波形に同期してカウントし、比較出力が
ない場合には内部クロックを選択するようにしているた
め、ｎカウント目の検出についても誤差が生じることな
く行うことができる。

従って、長距離の検出領域を有することができるように
なったことから、従来では利用すること４゜ ができなかった凹凸の大きい物体の検出も可能となった
と共に、たとえば食品産業において製造行程でネジ・ワ
ッシャ・針等の微小な金属部品が食品に混入した場合で
も最終検査段階において本発明の近接スイッチで検査す
れば、不良品の販売やその後の事故を未然に防止するこ
とができる等、その利用範囲は大きい。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の近接スイッチの一実施例を示すブロッ
ク図、第２図は共振回路の減衰波形を示す波形図、第３
図は共振回路の等価回路図、第４図はクロック選択回路
のブロック図、第５図は各ブロックの入出力波形図、第
６図は従来例のブロック図、第７図は同動作波形図であ
る。 尚、図中１・・・コイル、２・・・コンデンサ、３・・
・バッファアンプ、４・５・・・コンパレータ、６・・
・クロック選択回路、７・・・パルス発振回路、８・・
・１６進カウンタ、９・・・同期回路、１０・・・出力
回路、１１・・・ドライブ回路。 以　　　上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、所定の間隔で減衰振動を繰り返し、金属物体との距
   離に比例して減衰時間が短縮する共振回路と、この共振
   回路の減衰波形を入力するバッファアンプと、このバッ
   ファアンプの出力を複数の電圧レベルで比較し、それぞ
   れの比較値を出力する比較回路と、上記電圧レベルのう
   ち絶対値の小さいレベルの比較値で上記減衰波形と同期
   してクロックをカウントすると共に上記比較出力が停止
   すればクロック選択回路によって内部クロックを連続し
   てカウントするＮ進カウンタと、上記Ｎ進カウンタのｎ
   カウント目に判定タイミング信号を出力し、このタイミ
   ングで上記電圧レベルのうち絶対値の大きいレベルの比
   較信号が出力されない場合に金属物体の検出を検知する
   同期回路とを備えると共に、上記Ｎ進カウンタのＮカウ
   ント目に上記共振回路を駆動することを特徴とする近接
   スイッチ。