JPH0629817A

JPH0629817A - 近接スイッチ

Info

Publication number: JPH0629817A
Application number: JP20598692A
Authority: JP
Inventors: Tomoshi Motouji; 知史元氏; Arimasa Abe; 有正安部; Shinya Tamino; 真也民野; Yasushi Matsuoka; 靖松岡; Takashi Otsuka; 隆史大塚
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1994-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】検出物体の近接スイッチへの過接近を検知で
きるようにすること。【構成】コンパレータ１の出力側に抵抗Ｒ１，コンデ
ンサＣ１の直列回路、及びコンデンサＣ１に並列に発振
コイルＬとコンデンサＣ２を接続する。そして物体が近
接しない状態からの発振周波数の上昇を計数回路１１，
演算回路１４によって検出し、物体の過接近を検知して
いる。そして過接近の検知時には外部に警報信号を出力
するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は近接スイッチへの過接近
を検知するようにした近接スイッチに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来高周波発振型近接スイッチは、発振
コイルを含む発振回路によって一定の周波数で発振して
おり、金属物体が接近すれば渦電流損によって検出コイ
ルのコンダクタンスが変化する。従って発振回路の発振
レベルが低下又は発振が停止するので、発振レベルの変
化を検出することによって物体の近接を検出していた。
図９はこのような従来の高周波発振型近接スイッチの構
成を示すブロック図である。本図において発振回路１０
１は一定の周波数で一定振幅の発振を行い、その出力は
検波回路１０２を介して処理回路１０３に与えられる。
処理回路１０３は所定の閾値で信号を弁別する比較回路
を含んで構成されており、振幅レベルが連続して低下す
る場合には出力回路１０４より物体検知信号が出力され
る。ここで近接スイッチから物体までの距離ｄに対する
振幅の変化は図１０に示すものであり、検出距離ｄ₀よ
りわずかに物体が近づけば発振が停止している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の高周波発振型近接スイッチでは、検出距離が短
いため近接スイッチと物体との位置関係が接近してい
る。そのため検出物体の通過位置が振動等によってずれ
た場合には、検出物体が近接スイッチと衝突し、近接ス
イッチが破損してしまうことがあるという欠点があっ
た。

【０００４】本発明はこのような従来の問題点に鑑みて
なされたものであって、検出物体が近接スイッチに接近
しすぎた場合の過接近を検出できるようにすることを技
術的課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、入力が閾値を
越えたときに出力を反転させるスイッチング回路、スイ
ッチング回路の出力側に出力と接地端間に接続され、抵
抗Ｒ１，コンデンサＣ１を有する直列回路、コンデンサ
Ｃ１に並列に接続された検出コイルＬ及びコンデンサＣ
２の直列回路、を有する発振回路と、発振回路の発振周
波数の変化によって物体までの距離を検出する信号処理
回路と、物体が接近しない状態からの発振周波数の変化
により物体の過接近を検知する過接近検知手段と、を具
備することを特徴とするものである。

【０００６】

【作用】このような特徴を有する本発明によれば、発振
回路によって一定の周波数で発振しており、抵抗Ｒ１と
コンデンサＣ１，Ｃ２の値を適宜設定することによっ
て、物体までの距離に応じて発振周波数が変化する発振
回路とすることができる。そしてこの発振回路を用いて
物体の有無を判別している。又その発振周波数の変化に
よって物体が過接近した状態を過接近検知手段によって
検出するようにしている。

【０００７】

【実施例】まず本発明の発振回路について説明する。図
３（ａ）は発振回路の発振コイルＬの等価回路であっ
て、そのインダクタンスをＬ１、その直流抵抗をｒ１と
している。そして発振コイルに近接して物体が接近した
ときには、物体を等価的にコイルＬ２と直流抵抗ｒ２で
示すことができる。ここで相互インダクタンスをＭとす
れば、発振コイルの両端から見たインピーダンスＺは次
の式（１）で示される。

【数１】従って式１を便宜上Ｒｘ，Ｌｘの記号を用いて実数部，
虚数部に分けて表すと、コイルの両端は等価的には図３
（ｂ）のように示されることとなる。

【０００８】図２（ａ）は本実施例の発振回路の構成を
示す回路図である。本図において１はコンパレータであ
り、その非反転入力端子には電圧Ｖthの基準電源２が接
続される。コンパレータ１の出力は抵抗Ｒ１，コンデン
サＣ１の直列接続体を介して接地され、その中点が発振
コイルＬとコンデンサＣ２の直列接続体を介して接地さ
れる。又発振コイルＬとコンデンサＣ２との中点がコン
パレータ１の反転入力端子に接続されて高周波発振型近
接スイッチの発振回路が構成される。ここで図２（ｂ）
に示すように検出物体３が接近したときに、発振コイル
Ｌを図３（ａ）と同じくＬ１，ｒ１、検出物体３をイン
ダクタンスＬ２と抵抗ｒ２によって表現すれば、前述し
たように図２（ｃ）に示すように表現されることとな
る。又コンパレータ１はＨレベル又はＬレベルの信号を
出力するスイッチング回路であるので、これをスイッチ
４に置き換えれば図４のように示される。

【０００９】ここで抵抗Ｒ１の端子を接地又は電圧Ｅを
持つ電源に択一的に接続するものとし、抵抗Ｒｘとコン
デンサＣ２の共通接続端となる出力電圧をＶｘとすれ
ば，Ｖinは以下のように示される。Ｖｘ≧Ｖthのとき、Ｖin＝ＥＶｘ＜Ｖthのとき、Ｖin＝０そしてコンデンサＣ１，Ｃ２の電荷を夫々ｑ₁，ｑ₂と
すると、次式が成り立つ。

【数２】

【００１０】ここでラプラス変換子Ｓを用いて表すと、
以下のようになる。Ｖin＝ＥのときＥ／Ｓ＝［１＋Ｃ１Ｒ１Ｓ＋Ｃ２Ｒ１Ｓ＋Ｃ２Ｓ（１＋Ｒ１Ｃ１Ｓ）（ＬｘＳ＋Ｒｘ）］Ｖｘ・・・（５）又Ｖin＝０のとき０＝［１＋Ｃ１Ｒ１Ｓ＋Ｃ２Ｒ１Ｓ＋Ｃ２Ｓ（１＋Ｒ１Ｃ１Ｓ）（ＬｘＳ＋Ｒｘ）］Ｖｘ・・・（６）となる。従ってこれらの式より、特性方程式Ｆ（Ｓ）は
以下のように示される。Ｆ（Ｓ）＝Ｒ１Ｃ１Ｃ２ＬｘＳ³ ＋（Ｒ１Ｃ１Ｃ２Ｒｘ＋Ｃ２Ｌｘ）Ｓ² ＋（Ｃ２Ｒｘ＋Ｃ１Ｒ１＋Ｃ２Ｒ１）Ｓ＋１・・・（７）

【００１１】この特性方程式より発振周波数ω_OSCは次
式（８）で示される。

【数３】このため発振周波数ｆは次式（９）で示される。

【数４】

【００１２】さて式（９）においてＬｘは分母，Ｒｘは
分子にあるから、磁性体金属が近接すればＲｘの増大に
よって発振周波数が増加し、非磁性体金属が近接すれば
Ｌｘが増加することで発振周波数が増加する。

【００１３】図５（ａ）は距離ｄに対する抵抗Ｒｘ、図
５（ｂ）は距離ｄに対するインダクタンスＬｘの磁性体
金属（鉄）と非磁性体金属（アルミニウム）の変化を示
すグラフである。本図に示すように抵抗値及びインダク
タンスはいずれも指数関数的に変化しており、その係数
のみが変化している。ここで発振回路の発振周波数は全
ての金属に対し同一の曲線になるように調整することも
できる。又検出対象を固定すればその発振周波数の変化
によって検出対象の物体を検出することができる。ここ
では金属の材質にかかわらず距離に対する周波数変化を
均一になるものとすれば、コンデンサＣ１，Ｃ２及び抵
抗Ｒ１は以下のようにして定める。発振回路の発振コイ
ルＬに対応してコンデンサＣ１，Ｃ２は近接スイッチと
して適した発振周波数となるように選択する。又特定の
距離ｄ１における鉄の抵抗値をＲｘ１（Ｆｅ），アルミ
ニウムをＲｘ１（Ａｌ）とし、これと同一の距離におけ
る鉄のインダクタンスをＬｘ１（Ｆｅ），アルミニウム
をＬｘ１（Ａｌ）とする。そしてそのときの発振周波数
に等しいものとして次式（１０）を立てる。

【数５】

【００１４】これはこの式を満足するＣ１，Ｃ２，Ｒ１
を選定することによって発振周波数が等しくなることを
示している。従ってＣ１，Ｃ２は発振周波数によって決
めるものとすれば、この式をＲ１について解いたとき得
られた値となるように抵抗Ｒ１の値を設定する。ここで
無限遠点では磁性体金属及び非磁性体金属共にインダク
タンスと抵抗値が等しいため、その発振周波数は一致し
ており、前述した距離ｄ１でこれらの発振周波数を一致
させることにより二点で物体までの距離に対する発振周
波数の変化率が一致する。そして図５に示すように抵抗
ＲｘとインダクタンスＬｘはいずれも係数のみが異な
り、ほぼ同一の変化を有する曲線として示されるため、
ｄ１以外の検出距離についてもその発振周波数の変化率
はほぼ一致することとなる。これは実験的にも確かめら
れ、図６に示す特性が得られている。図６において〇は
磁性体金属である鉄、×は非磁性体金属であるアルミニ
ウムの物体までの距離に対する発振周波数の変化率をプ
ロットしたものである。

【００１５】図１は本発明の第１実施例による近接スイ
ッチの全体構成を示すブロック図である。本図において
発振回路はコンパレータ１を用いた構成であって、前述
したものと同一である。この発振回路の出力は計数回路
１１に与えられる。計数回路１１はリセット信号発生回
路１２からのリセット信号が与えられるまでの間に入力
パルスを計数するものであって、その計数出力は演算回
路１３，１４に与えられる。演算回路１３は図６に示す
ように、通常の発振時と物体が近接したときの発振周波
数の比に基づいて、所定距離ｄ１以上に物体が近接した
かどうかを判別するものである。演算回路１３は例えば
デジタルコンパレータによって構成され、所定閾値、例
えば５以上のパルスが計数されたときにはラッチ回路１
５に検知信号を出力するものである。又演算回路１４は
通常の発振時に比べて物体が過接近したときの発振周波
数の比に基づいて、物体が所定距離ｄ２以上に過接近し
たかどうかを検出するものである。演算回路１４も例え
ば８以上のパルス数が計数されたときに出力を出すデジ
タルコンパレータによって構成される。この演算回路１
４の出力はラッチ回路１６に与えられる。ラッチ回路１
５，１６にはタイミング信号発生回路１７よりタイミン
グ信号が与えられており、このタイミング毎に信号を保
持するものであって、ラッチ回路１５の出力は物体検知
信号として出力回路１８より外部に出力される。又ラッ
チ回路１６の出力は過接近検知信号として警報出力回路
１９より外部に出力される。この警報出力回路１９は過
接近を外部に警報する警報手段であって、ケーブルを介
して過接近検知信号を出力するものでもよく、又近接ス
イッチの表示回路によって使用者に過接近を報知するも
のであってもよい。ここで計数回路１１とリセット信号
発生回路１２，演算回路１４及びラッチ回路１６は発生
周波数の変化により物体の過接近を検知する過接近検知
手段を構成している。

【００１６】次に本実施例の動作について説明する。図
７（ａ）〜（ｇ）は図１のａ〜ｇの各部の波形を示すタ
イムチャートである。本図において期間Ｔ１は検出物体
がなく、Ｔ２は物体が接近した状態、Ｔ３は検出物体が
近接スイッチに過接近した状態を示している。図７
（ａ）は発振回路の発振出力であって、コンパレータ１
より図示のような方形波の発振信号が出力される。そし
て図７（ｂ）に示すリセット信号発生回路１２の出力毎
に計数回路１１がリセットされる。期間Ｔ１ではリセッ
ト直前には計数値は４となるため、演算回路１３より物
体検知信号が出力されない。従って図７（ｅ）に示すラ
ッチ信号のタイミングがあっても物体検知信号や過接近
検知信号は出力されない。

【００１７】又期間Ｔ２には物体までの距離ｄがｄ１以
内に接近しており、発振周波数が上昇している。このと
きには計数回路１１の計数出力が演算回路１３の閾値を
越えたときに演算回路１３より図７（ｃ）に示す信号が
出力され、ラッチ回路１５によって図７（ｅ），（ｆ）
に示すように保持される。従って出力回路１８を介して
外部に物体検知信号が出力されることとなる。

【００１８】さて物体が更に接近して図６に示すように
距離ｄがｄ２以内の過接近状態となったときには、図７
に示すように演算回路１３の閾値を越えた時点で演算回
路１３より物体検知信号が出力される。更に演算回路１
４より閾値を越えた時点で過接近検知信号が出力され
る。これらの信号はタイミング発生回路１７の出力
（ｅ）によって図７（ｆ），（ｇ）に示すように保持さ
れる。従って物体検知信号と同時に外部に過接近の警報
信号が出力されることとなる。

【００１９】次に本発明の第２実施例について説明す
る。図８は本発明の一実施例による近接スイッチの全体
構成を示すブロック図である。本図において発振回路の
構成は前述した発振回路と同一であり、その出力はＦ／
Ｖ変換回路２１に与えられる。Ｆ／Ｖ変換回路２１は入
力信号の周波数を電圧に変換するものであって、その出
力は信号処理回路２２に与えられる。信号処理回路２２
は物体が近接していないときの電圧信号と物体が近接し
たときの電圧信号の比に基づいて前述した図６のグラフ
により物体までの距離を識別するものであって、その出
力は出力回路２３を介して外部に出力される。

【００２０】さて本実施例ではコンパレータ１の出力は
計数回路２４にも与えられる。計数回路２４は所定周期
毎にリセット信号発生回路２５からのリセット信号によ
ってリセットされ、その間の計数値が演算回路２６に与
えられる。演算回路２６はこの計数回路の出力が所定値
を越えたときに出力を発生するデジタルコンパレータに
よって構成される。演算回路２６の出力は過接近検知信
号として警報出力回路２７に与えられる。

【００２１】尚前述した各実施例は物体の過接近を検知
する検知手段として計数回路とその出力を所定の閾値で
弁別する演算回路によって構成しているが、第２実施例
のようにＦ／Ｖ変換回路を用いてその電圧信号を所定の
閾値と比較することによって物体の過接近を検知するよ
うに構成してもよい。又発振回路の発振周期を検知する
ことによって過接近を検知することも可能である。

【００２２】尚本実施例は磁性金属と非磁性金属との距
離に対する発振周波数変化率を同一となるように抵抗値
やコンデンサの定数を設定するようにしているが、磁性
体又は非磁性体のいずれか一方のみの近接を検出する検
出スイッチに適用することができる。この場合にはこの
ような定数設定は不要となることはいうまでもない。

【００２３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、従来の発振回路のようにある閾値を境にして発振，
停止が切換わるのではなく、検出物体の距離に応じて連
続的に周波数が変化する。従って検出距離より近い所定
位置での過接近状態を検出することができる。従って検
出物体が過接近状態になれば物体までの距離を離す等の
適切な処理をとることによって、近接スイッチの破損を
未然に防止することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による近接スイッチの全体構
成を示すブロック図である。

【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の一実施例に
よる発振回路の基本的な構成を示す回路図であり、
（ｂ）は近接する物体の等価回路、（ｃ）はこの等価回
路を含めた発振回路の等価回路を示す回路図である。

【図３】（ａ）は発振コイルと検出物体の等価回路、
（ｂ）はこれを含めた等価回路である。

【図４】本発明の発振回路の基本的な回路構成を示す回
路図である。

【図５】（ａ）は距離に対するＲｘの値、（ｂ）は距離
に対するＬｘの変化を示すグラフである。

【図６】本実施例の距離に対する発振周波数の変化率を
示すグラフである。

【図７】本発明の第３実施例による近接スイッチの動作
を示すタイムチャートである。

【図８】本発明の第２実施例による近接スイッチの全体
構成を示すブロック図である。

【図９】従来の近接スイッチの一例を示すブロック図で
ある。

【図１０】従来の近接スイッチの距離に対する振幅変化
を示すグラフである。

【符号の説明】

Ｌ発振コイルＲ１，Ｒ２抵抗Ｃ１，Ｃ２コンデンサ１コンパレータ２基準電源３検出物体１１，２４計数回路１２，２５リセット信号発生回路１３，１４，２６演算回路１５，１６ラッチ回路１７タイミング発生回路１８出力回路１９警報出力回路２１Ｆ／Ｖ変換回路２２信号処理回路２３出力回路

【数６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松岡靖京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (72)発明者大塚隆史京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力が閾値を越えたときに出力を反転さ
せるスイッチング回路、前記スイッチング回路の出力側
に出力と接地端間に接続され、抵抗Ｒ１，コンデンサＣ
１を有する直列回路、前記コンデンサＣ１に並列に接続
された検出コイルＬ及びコンデンサＣ２の直列回路、を
有する発振回路と、前記発振回路の発振周波数の変化によって物体までの距
離を検出する信号処理回路と、物体が接近しない状態からの発振周波数の変化により物
体の過接近を検知する過接近検知手段と、を具備するこ
とを特徴とする近接スイッチ。
【請求項２】前記過接近検知手段の出力に基づいて過
接近警報信号を出力する警報手段と、を具備することを
特徴とする請求項１記載の近接スイッチ。