JPH0334255B2 - - 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に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よりなり並列共振
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
の磁界により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（Ｇ tank）
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＋Gtenk）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を電流に変
換するエミツタホロワ持続のトランジスタ６は、
発振時には、カツトオフ領域から飽和領域に至る
までの大信号動作となり、そのエミツタ出力電圧
はベース入力電圧からベース−エミツタ間電圧
V_BEを差引いたものとなるので、エミツタ電流
は、ほぼ零から、電源電圧とエミツタ抵抗からき
まる最大電流にまで変化する。ところで、トラン
ジスタのV_BEとエミツタ電流I_Eの間には、その熱
電圧をV_T、逆方向飽和電流をI_Sとすると V_BE＝V_TlnI_E／I_S という非線形の関係があるため、上記エミツタホ
ロワ回路ではベース入力電圧とエミツタ出力電圧
すなわちエミツタ出力電流の関係は非線形とな
り、そのコレクタ電流もベース入力電圧と非線形
となるので厳密には、エミツタホロワ接続のトラ
ンジスタでは線形は、電圧−電流変換特性は得ら
れない。さて、トランジスタ８，９より成るカレ
ントミラー回路はトランジスタ６のコレクタ電流
に等しい電流を出力するためトランジスタ９から
の出力電流はベース電位と非線形の関係になり、
その結果LC共振回路から能動回路側を見込んだ
アドミタンスは線形性に乏しい負性コンダクタン
ス性となる。第２図は従来回路の負性コンダクタ
ンスの電圧電流特性を示す図であるり、図中破線
Ｂは、望ましい線形の負性コンダクタンス特性、
実線Ｃは、従来回路の特性である。従来回路で
は、動作点付近（V_Q、I_Q）付近では線形性が保た
れるが、動作点を離れるにつれ、線形性がなくな
り、負性のコンダクタンス（特性曲線の傾き）は
小さくなる。従つて従来回路では、発振の振巾が
大になるにつれて実効の負性コンダクタンスは小
になる。

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Goから共振回
路の損失を引いた値Gsens（＝Go−Gtank）に対
応する。通常GsensはGtankの数十％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Go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Go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。発振の有無の検出は通常、発振振幅あるい
はそれを検波平滑したものが所定のレベルより高
いか否かの比較をして行うが、従来回路では、発
振の振幅によりGoの値が変わるため、発振振幅
比較器２の比較レベルにより、その時のgsensの
値が異なることになり、金属の検出位置は比較レ
ベルで変わることになる。この様子を示したもの
が第３図である。

第３図において横軸は発振振幅、比較レベル、
縦軸はコンダクタンスであり、曲線Ｄは従来回路
の負性コンダクタンス、斜線部は共振回路の損
失、ａ，ｂは比較レベル、Goa、Gobはそれぞれ
前記比較レベルに対応する負性コンダクタンス値
であり、Gooは回路の動作点付近の負性コンダク
タンス値である。この図より、比較レベルａのと
きのGsensはGoa−Gtankであり、比較レベルｂ
のときのGsensはGob−Gtankとなり、ａに比べ
ｂはGsensの値が小さく、遠方にある金属の影響
でも発振を停止してしまうことになる。

トランジスタの非線形性は、周囲温度に対する
依存性が高くその結果回路の負性コンダクタンス
の非線形性も温度により大きな変化を起す。ま
た、非線形範囲は、電源電圧にも依存する。した
がつて従来回路において、広い温度範囲、電源電
圧変動に対し常に一定の検出コンダクタンス
Gsensをもたせるには、その発振振幅比較レベル
をトランジスタの非線形性に合わせなければなら
ず、実際上は不可能といえ、高精度の位置検出
や、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、
発振回路の負性コンダクタンスの非線形性を改善
し、又、温度、電源電圧等に依存せず一定の検出
感度特性をも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４図において、１１は差動増幅器であり、
その出力端子をトランジスタ６のベースに接続
し、反転入力端子を該トランジスタ６のエミツタ
に、非反転入力端子をＡ点にそれぞれ接続する。

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。LC共振回路に発生した振動電圧
は、差動増幅器１１の非反転入力端子に入る。こ
の非反転入力をViとし、差動増幅器１１の回路
利得をAv、とし、トランジスタ６のエミツタ出
力をVeとすれば、差動増幅器の反転入力にはト
ランジスタ６のエミツタから100％の電流帰還が
施され、その時のエミツタ出力電圧Veは Ve＝Av／１＋AvVi−V_BE／１＋Av で表わされ、トランジスタ６のベースエミツタ間
電圧V_BEのエミツタ出力電圧に現われる効果は、
１／（Ａ＋１）に縮められ、同時にその非線形性
は１／（Ａ＋１）となる。差動増幅器１１の電圧
利得は十分大きくとれるので実用上V_BEによる非
線形性は無視出来るまで改善され、トランジスタ
６のエミツタ電圧は完全にViに追従する。トラ
ンジスタ６のエミツタ電流は、エミツタ電位を
Veをエミツタ抵抗７で徐したものであるため、
Viに対し線形に変化し、その時のコレクタ出力
電流も線形に変化するので、入力電圧Viに対し
て線形性の良い電圧電流変換器が構成される。次
にこ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で忠実に差動増幅器１１の
反転入力側に帰還されるため、LC共振回路側か
ら能動回路を見込むアドミタンスは、線形性の良
いコンダクタンスとなり、そのコンダクタンス値
は、エミツタ抵抗の逆数となる。

実際の金属検出動作については従来回路と同じ
なので説明を省く。

さて、このようにV_BEの非線形性による負性コ
ンダクタンスの非線形性を無くした回路では、従
来の動作点付近のみで保たれていた負性コンダク
タンスの線形性は差動増幅器１１の全動作範囲に
まで拡大されるので、従来回路のように発振振幅
によつて回路の負性コンダクタンス−Goが変化
することがない。従つて、発振の有無を検出する
後段の発振振幅比較器はその比較レベルを厳密に
設定する必要がなく、差動増幅器の動作範囲の適
当なレベルに設定すれば良い。

第６図はこの発明の特性を示す図であり、横軸
は、検出コイルと金属との距離、縦軸には、発振
振幅、比較レベルを示す。図中Ｅは従来回路の振
幅特性、Ｆはこの発明の一実施例の特性を示す曲
線である。

検出コイルと金属の距離が近い時には、すでに
説明したようにGsens（＝Go−Gtatk）よりも金
属の等価コンダクタンスの方が大きく、回路は発
振しないが、距離がL₁を越えるとGsensより
Gmetalが小さくなるので、発振が始まる。とこ
ろで、従来回路では、振幅が大きくなるとGoが
減少する、すなわちGsensが小さくなるので、発
振振幅はGsens＝Gmetalとなる点で固定される
が、本発明の実施例では、振幅によるGoの変化
がないため、発振は大振幅に成長する。さらに距
離を離すと、実施例では振幅はほとんど変化しな
いが、従来回路では、その距離に対応したGoの
位置で発振振幅がきまる。このような発振動作の
状態で、発振の有無を検出する場合、従来回路で
は、発振の振幅の比較レベルｅ１とｅ２ではΔL
の誤差が生じるので、温度、電源電圧一定の下で
は常に一定の比較レベルである必要があり、温
度、電源電圧の変化した時には、さらにＥの曲線
は傾きその他が変化するため、その変化に応じ、
比較レベルを移動する必要がある。これに対し、
この発明の実施例では、比較レベルはｆの範囲の
どのレベルでも常に距離Ｌ１での発振、停止の検
出が出来る。また、温度変化や電源電圧の変化に
際して比較レベルが変化しても検出距離Ｌ１には
何ら影響を与えないことから、広い温度範囲にお
いて、高精度、高感度の金属検出が行える。

なお上記実施例では、エミツタホロワ段のトラ
ンジスタを１素子で構成したが、これは、ダーリ
ントン構成のトランジスタ、電界効果トランジス
タを用いても良い。このダーリントントランジス
タあるいは、電界効果トランジスタを用いること
により、エミツタ抵抗（ソース抵抗）を流れる電
流と、カレントミラー回路を駆動するコレクタ電
流（ドレイン電流）の差が、微少なベース電流の
みになり、ベース接地電流増幅率αによるわずか
な負性コンダクタンスの非線形性も改善される。
以上のようにこの発明によれば、エミツタホロワ
接続のトランジスタの前段に差動増幅器を接続
し、十分な電流帰還をかけることにより、電圧電
流変換を行うトランジスタのV_BEとエミツタ電流
の間の非線形性による、負性コンダクタンスの非
線形性を排除したので、発振振幅によつて回路の
負性コンダクタンスが変化せず、発振の有無の検
出に際して、振幅比較の比較レベルの厳密な設定
が必要でなく、無調整化が可能となり、温度、電
源電圧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図回路の負性コンダクタンスの特性
図、第３図はその発振振幅と負性コンダクタンス
の関係を示す図、第４図はこの発明の一実施例を
示す電気回路図、第５図は第４図の動作特性説明
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)

1. 【特許請求の範囲】 １ エミツタホロワ接続のトランジスタと、その
   エミツタ抵抗と、上記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カレントミラー回路
   と、反転入力端子が上記トランジスタのエミツタ
   に接続され非反転入力端子が上記カレントミラー
   回路の出力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、上記カレ
   ントミラー回路の出力端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バイアス回路を備えた近接ス
   イツチ発振回路。 ２ 上記エミツタホロワトランジスタにダーリン
   トン接続のトランジスタ、あるいは電界効果トラ
   ンジスタを用いることを特徴とする、特許請求の
   範囲第１項記載の近接スイツチ発振回路。