專利名稱：高頻振蕩型接近傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用由構(gòu)成高頻振蕩電路一部分的檢測(cè)用線圈和被檢測(cè)體之間的電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的所述高頻振蕩電路振蕩輸出電壓(振幅)的變化、來檢測(cè)接近所述被檢測(cè)體的高頻振蕩型接近傳感器。
特別是本發(fā)明涉及這樣一種高頻振蕩型接近開關(guān)，它的所述檢測(cè)用線圈實(shí)際上是由一端公共連接的、兩根絞合的線圈導(dǎo)體構(gòu)成，將其一個(gè)線圈作為諧振電路用線圈，同時(shí)，另一個(gè)線圈作為內(nèi)阻補(bǔ)償用線圈，利用這種雙線線圈，通過將其內(nèi)阻分量(所謂銅電阻分量)虛擬(等效)短路，從而力圖提高檢測(cè)靈敏度。
背景技術(shù)：
在以非接觸方式檢測(cè)有無被檢測(cè)體(接近)的接近傳感器中，有一種高頻振蕩型接近傳感器。這種高頻振蕩型接近傳感器其簡要構(gòu)成例如如第11圖所示，它在振蕩電路2的一部分中具有檢測(cè)用線圈1而構(gòu)成。而且，這是這樣構(gòu)成的，即在上述檢測(cè)用線圈1的附近有導(dǎo)電性的被檢測(cè)體S(例如金屬)存在時(shí)，利用上述檢測(cè)用線圈1的Q值變化，檢測(cè)出存在或接近上述被檢測(cè)體S。
具體來說，在檢測(cè)用線圈的附近如有被檢測(cè)體S存在，則由于檢測(cè)用線圈1和被檢測(cè)體S間的電磁感應(yīng)作用，使所述檢測(cè)用線圈1的電阻分量R、或自感分量L變化，隨著這一變化，振蕩電路2的振蕩幅度、振蕩頻率也發(fā)生變化。高頻振蕩型接近傳感器例如用檢波電路3檢測(cè)出上述振蕩電路2的振蕩幅度，根據(jù)該檢波電路3的檢測(cè)輸出(所述高頻振蕩電路2的振蕩幅度)，檢測(cè)出存在或接近被檢測(cè)體S。然后控制輸出電路4的動(dòng)作，例如是這樣構(gòu)成，它通過晶體管5有選擇地驅(qū)動(dòng)監(jiān)視器側(cè)的負(fù)載，或驅(qū)動(dòng)LED(發(fā)光二極管)6使其發(fā)光等，通知(顯示)存在或接近被檢測(cè)體S。還有，圖中的7是向振蕩電路2、檢波電路3等供給驅(qū)動(dòng)電壓的穩(wěn)壓電路然而，要求這種高頻振蕩型接近傳感器不僅其檢測(cè)特性要穩(wěn)定，而且也要能將其檢測(cè)距離設(shè)定得相當(dāng)長。為了滿足這樣的要求，基本上只要使檢測(cè)用線圈1具有的內(nèi)阻、即所謂銅電阻Rcu與溫度間不存在依從關(guān)系便可。因此，例如在美國專利第4,509,023號(hào)說明書、或美國專利第4,942,372號(hào)說明書中提出一種通過在檢測(cè)用線圈1的兩端加上與上述銅電阻Rcu成正比的電壓、從而對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。
這種方法其簡要構(gòu)成具體如第12圖所示，將兩根線圈導(dǎo)體的一端公共連接并絞合的雙線線圈作為檢測(cè)線圈1使用，該雙線線圈的一個(gè)線圈導(dǎo)體與諧振用電容器C1連接，作為諧振電路用線圈L1使用，同時(shí)，將另一個(gè)線圈導(dǎo)體作為內(nèi)阻補(bǔ)償用線圈(銅電阻補(bǔ)償用線圈)L2使用。然后，它是這樣構(gòu)成的，即用放大器8將驅(qū)動(dòng)電壓Va加在所述雙線線圈(檢測(cè)用線圈)1上，驅(qū)動(dòng)上述線圈L1和電容器C1組成的諧振電路產(chǎn)生振蕩，同時(shí)使上述放大器8的輸出通過電容器C2使相位旋轉(zhuǎn)90°，反饋給所述銅電阻補(bǔ)償用線圈L2。
但在這樣的電路構(gòu)成的情況下，要調(diào)整放大器8所具有的電阻R、P或電壓反饋用電容器C2的電容量，找出諧振電路中能補(bǔ)償自振蕩點(diǎn)的溫度特性的條件。而且，必須根據(jù)被檢測(cè)體S的檢測(cè)距離，尋求最佳的上述自振蕩點(diǎn)。故而，要獲得最佳的電路常數(shù)相當(dāng)困難。特別是為了消除檢測(cè)用線圈1的銅電阻Rcu與溫度間的依從關(guān)系，要生成振幅與檢測(cè)用線圈1上產(chǎn)生的振蕩幅度的角頻率ω的二次方(ω2)成反比的電壓，并將該電壓反饋給所述銅電阻補(bǔ)償用線圈L2。因此，難以設(shè)計(jì)出能確實(shí)可靠地抵消銅電阻Rcu與溫度間的依從關(guān)系的電路，難以使高頻振蕩型接近傳感器的動(dòng)作特性穩(wěn)定。
另外，在已有的一般的接近傳感器(接近開關(guān))中，是設(shè)定其動(dòng)作點(diǎn)，使得在被檢測(cè)物體S靠近規(guī)定的距離以前，例如使所述振蕩電路2的振蕩停止。具有這種動(dòng)作特性的振蕩電路2通常稱為硬振蕩電路。相反，在與被檢測(cè)體S的接近距離相對(duì)應(yīng)的多個(gè)點(diǎn)處進(jìn)行該檢測(cè)時(shí)，需要構(gòu)成所謂的軟振蕩電路，該電路具有例如根據(jù)與被檢測(cè)體S間的距離使振蕩幅度相應(yīng)變化的動(dòng)作特性。
附帶說明一下，所謂高頻振蕩電路2的軟振蕩，是表示一種根據(jù)檢測(cè)用線圈1的Q值變化使其振蕩幅度相應(yīng)變化的振蕩形態(tài)。檢測(cè)用線圈1的Q值主要取決于根據(jù)被檢測(cè)體S的有無而變化的檢測(cè)用線圈1的內(nèi)阻R。在設(shè)檢測(cè)用線圈1的自感為L、由該檢測(cè)用線圈1和諧振用電容器C1形成的LC諧振電路的諧振角頻率為ω時(shí)，則該檢測(cè)用線圈的Q值能近似地以[Q＝ωL/R]的形式給出。而根據(jù)被檢測(cè)體S的有無使檢測(cè)用線圈Q值的變化的大小，能以在檢測(cè)用線圈1的附近有被檢測(cè)體S存在時(shí)的Q值[Qin]、和無被檢測(cè)體S存在時(shí)的Q值[Qout]之比[Q值比＝Qin/Qout]來反應(yīng)。
但在構(gòu)成力圖使前述動(dòng)作特性穩(wěn)定同時(shí)、又能滿足將其檢測(cè)距離延長的要求的軟振蕩電路時(shí)，例如就要利用前述的反饋電路，邊抵消檢測(cè)用線圈銅電阻Rcu與溫度的依從關(guān)系，一邊要根據(jù)檢測(cè)線圈Q值的變化，使高頻振蕩電路的振蕩幅度變化，這樣就有其構(gòu)成變得過于龐大等問題存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明之目的為提供一種結(jié)構(gòu)簡單的高頻振蕩型接近傳感器，它通過將檢測(cè)用線圈具有的銅電阻Rcu虛擬(等效)地短路，以圖提高其檢測(cè)靈敏度。特別是在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單的高頻振蕩型接近傳感器，它通過改進(jìn)檢測(cè)用線圈的Q值及Q值比，力圖提高檢測(cè)靈敏度，再除去由于銅電阻分量引起的振蕩電路與溫度間的依從關(guān)系，力圖使動(dòng)作特性更加穩(wěn)定。
本發(fā)明之又一目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單的高頻振蕩型接近傳感器，它能將具有上述檢測(cè)用線圈的高頻振蕩電路構(gòu)成為軟振蕩電路。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明涉及的高頻振蕩型接近傳感器是一種將雙線線圈作為檢測(cè)用線圈使用的傳感器，該線圈由一端公共連接實(shí)質(zhì)上兩根絞合的線圈導(dǎo)體構(gòu)成，其一個(gè)線圈作為諧振電路用線圈，同時(shí)，另一個(gè)線圈作為銅電阻補(bǔ)償用線圈。其特征為，包括向該雙線線圈的公共連接的一端供給驅(qū)動(dòng)電流的振蕩驅(qū)動(dòng)電路、取出所述雙線線圈的一端產(chǎn)生的振蕩輸出電壓的緩沖器、使由該緩沖器取出的所述振蕩輸出電壓的相位旋轉(zhuǎn)規(guī)定角度并反饋給所述銅電阻補(bǔ)償用線圈后抵消所述雙線線圈的銅電阻分量Rcu的移相電路。
最好所述移相電路的構(gòu)成中包括電阻，該電阻與所述移相電路串聯(lián)，規(guī)定由所述緩沖器取出的振蕩輸出電壓中給所述銅電阻補(bǔ)償用線圈的反饋量。再有，所述移相電路的構(gòu)成中還包括旋轉(zhuǎn)相位角調(diào)整裝置，用于調(diào)整相對(duì)于由所述緩沖器取出的振蕩輸出電壓的相位旋轉(zhuǎn)角。
另外，本發(fā)明涉及的高頻振蕩型接近傳感器是一種將雙線線圈作為檢測(cè)用線圈使用的傳感器，該線圈由一端公共連接實(shí)質(zhì)上兩根絞合的線圈導(dǎo)體構(gòu)成，其一個(gè)線圈作為諧振電路用線圈，而其另一個(gè)線圈作為銅電阻補(bǔ)償用線圈，其特征為，包括向該雙線線圈公共連接的一端供給驅(qū)動(dòng)電流的振蕩驅(qū)動(dòng)電路、及補(bǔ)償裝置，所述補(bǔ)償裝置將大小和從所述諧振電路用線圈的一端流向其另一端的電流相等的電流，從所述諧振電路用線圈的另一端流向所述銅電阻補(bǔ)償用線圈的另一端流動(dòng)，通過這樣將所述諧振電路用線圈的銅電阻分量Rcu虛擬短路。
附帶說明一下，所述補(bǔ)償裝置由將在所述銅電阻補(bǔ)償用線圈的另一端產(chǎn)生的電壓反相放大后負(fù)反饋給所述諧振電路用線圈的另一端的反相放大器組成。最好該反相放大器由其放大增益等效為無限大的運(yùn)算放大器構(gòu)成。而且利用該補(bǔ)償裝置(反相放大器)將所述諧振電路用線圈的銅電阻分量虛擬短路能通過以下的方式來實(shí)現(xiàn)，即所述雙線線圈以下述等效電路等效表示，該等效電路是對(duì)由其自感分量和交流電阻分量組成的串聯(lián)電路的一端，分別公共地與所述諧振電路用線圈的銅電阻分量及所述銅電阻補(bǔ)償用線圈的銅電阻分量串聯(lián)連接，在用這樣的等效電路等效表示時(shí)，使其公共連接點(diǎn)虛擬接地。
另外，本發(fā)明涉及的高頻振蕩型接近傳感器能這樣實(shí)現(xiàn)，它將驅(qū)動(dòng)電壓加在所述雙線線圈的公共連接的一端上的振蕩驅(qū)動(dòng)電路，作為根據(jù)所述雙線線圈Q值的變化而使所述公共連接的一端上產(chǎn)生的振蕩幅度變化的非線性放大器。
最好所述非線性放大器能以下述方式起作用，即根據(jù)其輸入電壓，使放大增益多級(jí)變化，從而使其輸出電壓呈非線性變化，由此使所述雙線線圈產(chǎn)生的振蕩電壓的振幅多級(jí)變化，賦予該非線性放大器和所述雙線線圈構(gòu)成的高頻振蕩電路軟振蕩特性。


圖1為本發(fā)明第一實(shí)施形態(tài)涉及的高頻振蕩型接近傳感器主要部分的簡要構(gòu)成圖。
圖2A為表示圖1所示的雙線線圈的等效電路圖。
圖2B為表示分離圖1所示的雙線線圈的銅電阻后的等效電路圖。
圖3A為用于說明利用通過移相電路的反饋?zhàn)饔脕淼窒p線線圈銅電阻Rcu的作用的等效電路圖。
圖3B為用于說明利用通過電容的反饋?zhàn)饔脕淼窒p線線圈銅電阻Rcu的作用的等效電路圖。
圖4為本發(fā)明第二實(shí)施形態(tài)涉及的高頻振蕩型接近傳感器主要部分的簡要構(gòu)成圖。
圖5為表示圖4所示的振蕩電路的等效電路圖。
圖6為表示圖4所示的振蕩電路中檢測(cè)線圈上產(chǎn)生的電壓和電流之間的關(guān)系圖。
圖7為表示檢測(cè)線圈的內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果的示意圖。
圖8為本發(fā)明第三實(shí)施形態(tài)涉及的高頻振蕩型接近傳感器主要部分的簡要構(gòu)成圖。
圖9為表示圖8所示的高頻振蕩型接近傳感器中采用非線性放大器的構(gòu)成例的示意圖。
圖10為表示圖9所示的非線性放大器的輸入輸出特性圖。
圖11為表示高頻振蕩型接近傳感器的一般簡要構(gòu)成的方框圖。
圖12為表示一個(gè)已有的檢測(cè)線圈用銅電阻補(bǔ)償電路例子的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)涉及的高頻振蕩型接近傳感器、特別是以補(bǔ)償檢測(cè)用線圈具有的銅電阻的補(bǔ)償裝置為主進(jìn)行說明。
(第一實(shí)施形態(tài))圖1為本實(shí)施形態(tài)涉及的高頻振蕩型接近傳感器主要部分的簡要構(gòu)成圖，11為構(gòu)成高頻振蕩電路的一部分的檢測(cè)用線圈。該檢測(cè)用線圈11為雙線線圈，例如由將兩根一端公共連接的高頻絞合線(線圈導(dǎo)體)L1、L2互相絞合纏繞在樹脂制的線圈架(圖中未示出)上構(gòu)成。還有，線圈架中例如可插入鐵氧體磁心(圖中未示出)。該雙線線圈中的一個(gè)線圈L1作為在和該線圈L1并聯(lián)連接的電容器C1間形成LC并聯(lián)諧振器的諧振電路用線圈使用。另一個(gè)線圈L2作為銅電阻補(bǔ)償用線圈使用。還有，雙線線圈通常只要是一端公共連接并絞合的多根高頻絞合線(線圈導(dǎo)體)，而另一端分開即可，實(shí)質(zhì)上為兩根(雙線)導(dǎo)體的線圈。
采用這種雙線線圈構(gòu)成的檢測(cè)用線圈11的高頻振蕩電路，將并聯(lián)連接電容器C1的諧振電路用線圈L1的另一端B接地，同時(shí)，與銅電阻補(bǔ)償用線圈L2連接的公共連接端A還與放大器12連接，從該放大器12供給驅(qū)動(dòng)電流，從而驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生振蕩。該放大器12基本上是隨著所述檢測(cè)用線圈11的振蕩驅(qū)動(dòng)，將該檢測(cè)用線圈11的公共連接端A上產(chǎn)生的電壓輸入后放大，并將其放大輸出電壓變換成電流，加在所述檢測(cè)用線圈11的公共連接端A上(輸出)，通過這樣使檢測(cè)用線圈11自激振蕩。即放大器12呈現(xiàn)這樣一種根據(jù)其輸入電壓而輸出電流的負(fù)阻作用，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)用線圈11產(chǎn)生振蕩。
檢測(cè)該檢測(cè)用線圈11上產(chǎn)生的振蕩電壓的緩沖器13，與所述檢測(cè)用線圈11的一端即雙線線圈的公共連接端A連接。而且，它具有這樣的結(jié)構(gòu)，即將通過該緩沖器13檢測(cè)出的振蕩電壓(輸出)，從移相電路15通過增益調(diào)整用電阻16，加在所述檢測(cè)用線圈11的銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的另一端C上。該移相電路15的構(gòu)成例如以運(yùn)算放大器15a為主體，使分別供給其反相輸入端(-)和同相輸入端(+)的來自緩沖器13的輸出電壓(振蕩電壓)產(chǎn)生相位差，通過這樣起到使該輸出電壓的相位只旋轉(zhuǎn)規(guī)定角度(移相)的作用。附帶說明一下，該移相角由與運(yùn)算放大器15a的同相輸入端連接的電阻Rcont和電容器Ccont的電路常數(shù)而定，例如可通過改變電阻Rcont的值來調(diào)整。然后，由該移相電路15給出規(guī)定旋轉(zhuǎn)相位的振蕩電壓，通過增益調(diào)整用電阻16調(diào)整其反饋量，加在銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的另一端C上。這樣就利用加在銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的另一端C上的電壓來補(bǔ)償所述檢測(cè)用線圈11的銅電阻。
這里試對(duì)由雙線線圈構(gòu)成的檢測(cè)用線圈11的性質(zhì)進(jìn)行分析，該檢測(cè)用線圈11例如可以認(rèn)為如圖2A所示，等效地分解成其自感L(L1、L2)、與銅損有關(guān)的所謂歐姆性電阻(銅電阻)Rcu1、Rcu2、作為交流電阻分量的所謂感應(yīng)性電阻Ri、及被檢測(cè)體S引起的渦流損耗Rt。上述渦流損耗Rt也是交流電阻分量的一部分，但是由于對(duì)檢測(cè)對(duì)象有著特別的意義，故為便于分析，將其從線圈本身的感應(yīng)性電阻Ri中分出。另外感應(yīng)性電阻(交流電阻)Ri是將由所述的鐵氧體磁芯或裝有該磁芯的金屬外殼產(chǎn)生的磁滯損耗、渦流損耗、殘留損耗、再有在填充材料中產(chǎn)生的介質(zhì)損耗、及線圈自身的線材間產(chǎn)生的鄰近效應(yīng)損耗等原因產(chǎn)生的損耗一并作為電阻分量表示的。
然而，本申請(qǐng)的發(fā)明者們?cè)谠u(píng)價(jià)、分析上述雙線線圈時(shí)發(fā)現(xiàn)，在雙線線圈L1、L2間的耦合十分強(qiáng)的情形下，能將檢測(cè)用線圈11所含的銅電阻Rcu1、Rcu2如圖2B所示，作為與交流電阻分量Ri及渦流損耗分量Rt分離的等效電路來處理。換言之，如將檢測(cè)用線圈11中一個(gè)線圈L1如前所述作為諧振電路用線圈使用，而將另一個(gè)線圈L2作為銅電阻補(bǔ)償用線圈使用，則如圖2B所示，就能將檢測(cè)用線圈11所含的銅電阻Rcu1、Rcu2作為分別與感應(yīng)性電阻Ri及渦流損耗Rt分離的等效電路來處理。
這里，所述各線圈L1、L2在例如以將多根相同線徑的高頻絞合線絞合的形式實(shí)現(xiàn)時(shí)，在線圈L1和線圈L2之間的絞合數(shù)有[n∶m]的關(guān)系時(shí)，上述各線圈L1、L2的銅電阻Rcu1、Rcu2分別與其絞合數(shù)n∶m的倒數(shù)1/n、1/m成正比。因而，在各線圈L1、L2的銅電阻Rcu1、Rcu2之間，以下的關(guān)系式成立。
Rcu1＝(m/n)·Rcu2
特別是在線圈L1、L2的絞合數(shù)相等的情況下，[Rcu1＝Rcu2]的關(guān)系成立。
那末，現(xiàn)在再分析雙線線圈L1、L2的公共連接點(diǎn)A和諧振電路用線圈L1的端子B之間，由于其諧振產(chǎn)生角頻率ω的交流電壓的狀態(tài)。另外，設(shè)忽略銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的端子C。于是，在圖2B所示的等效電路中，在將銅電阻Rcu1、Rcu2分開的點(diǎn)D處，通過電感L1(L2)，相位旋轉(zhuǎn)-90°，出現(xiàn)根據(jù)其阻抗[ωL+Ri+Rt]和銅電阻進(jìn)行電阻分壓的電壓振幅。因而，只要將和在該D點(diǎn)出現(xiàn)的電壓振幅相同、并且其相位從A點(diǎn)看已旋轉(zhuǎn)+90°的電壓，經(jīng)所述銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的端子C再供給上述的D點(diǎn)，則據(jù)此就能抵消D點(diǎn)產(chǎn)生的電壓振幅，使銅電阻Rcu1產(chǎn)生的電壓為零
。這樣從端子A-B之間看諧振電路用線圈L1時(shí)，因?yàn)辄c(diǎn)D的電壓為零
，所以實(shí)際上覺察不到檢測(cè)用線圈1內(nèi)存在著銅電阻Rcu1，在名義上可以將銅電阻Rcu1作為0Ω。即通過將上述點(diǎn)D等效地接地，銅電阻Rcu1虛擬短路，就能有效地消除該銅電阻Rcu1對(duì)振蕩電路的影響。
前述的緩沖器13及移相電路15，通過將這樣的電壓經(jīng)過銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的端子C加在D點(diǎn)上，從而如上所述擔(dān)負(fù)起等效地抵消(消除)檢測(cè)用線圈11所含銅電阻Rcu1的作用。其結(jié)果，能大幅度改善檢測(cè)用線圈11的Q值，又能消除因銅電阻Rcu1引起的溫度依從關(guān)系。而且，力圖使檢測(cè)用線圈11產(chǎn)生的振蕩動(dòng)作穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作為非接觸傳感器用的動(dòng)作穩(wěn)定。還能延長接近傳感器的物體檢測(cè)距離。
另外，在如此消除檢測(cè)用線圈11所含的銅電阻Rcu1時(shí)，可以將這一檢測(cè)用線圈11加上上述的緩沖器13及移相電路15后的全部電路作為消除了其銅電阻Rcu1的一個(gè)檢測(cè)用線圈，即作為帶銅電阻消除電路的線圈來處理。因而，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)用線圈11進(jìn)行振蕩的放大器時(shí)，因?yàn)榭梢园巡淮嬖阢~電阻Rcu1的線圈作為對(duì)象來決定其電路常數(shù)，故設(shè)計(jì)就容易，電路構(gòu)成也容易簡化。
這里，再試著對(duì)前面所述的在消除檢測(cè)用線圈11的銅電阻Rcu1時(shí)緩沖器13的作用進(jìn)行分析。這種情形如圖3A中的等效電路所示，檢測(cè)用線圈11的電感L上受到由于振蕩而產(chǎn)生的電壓V，從其公共連接點(diǎn)A供給電流i1。又從端子C供給從移相電路15通過增益調(diào)整用電阻(Ro)16提供的電流i2。然后，上述的電流i1、i2在將銅電阻Rcu1、Rcu2分開的點(diǎn)D處合成后，流入銅電阻Rcu1，因此，檢測(cè)用線圈1上產(chǎn)生的電壓V能以下式表示。
V＝i1·jωL+(i1+i2)·Rcu1……(1)
另外，應(yīng)從緩沖器13反饋給銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的端子C的電壓gV能用下式表示。
gV＝(i1+i2)·Rcu1+i2·(Rcu2+Ro)……(2)式中，上述g是反饋電路的增益。而且，所謂消除銅電阻Rcu1意味著將流入該銅電阻Rcu1的電流(i1+i2)作為零。因而，若設(shè)前述的增益調(diào)整用電阻1 6的值Ro遠(yuǎn)大于銅電阻Rcu2(Rcu2＜＜Ro)，則從上述的式(1)、(2)可知，可以用下式g＝+j·(Ro/ωL)近似設(shè)定上述的增益。
相反，假定代替前述的移相電路15，如將緩沖器13的輸出電壓如前述的圖12所示的已有的例子那樣，單用電容器C2旋轉(zhuǎn)相位后反饋給檢測(cè)用線圈11，則如圖38中其等效電路所示，應(yīng)從該緩沖器13反饋的電壓gV變?yōu)間V＝(i1+i2)·Rcu1+i2·(Rcu2+1/jωC)……(3)而且，若設(shè)電容器C2的阻抗(1/jωC)遠(yuǎn)大于銅電阻Rcu2，則對(duì)緩沖器13求得的增益近似為g＝1/ω2LC這意味著在想要將緩沖器13的輸出電壓僅用電容器C2使其相位旋轉(zhuǎn)并反饋給檢測(cè)用線圈11時(shí)，銅電阻Rcu1補(bǔ)償所需的電壓振幅與振蕩角頻率ω的二次方(ω2)成反比。相反，如前所述，在利用移相電路15使緩沖器13的輸出電壓相位旋轉(zhuǎn)時(shí)，其補(bǔ)償所需的電壓振幅只與振蕩角頻率ω成反比。所以若利用移相電路15使反饋給檢測(cè)用線圈1的振幅電壓的相位旋轉(zhuǎn)來消除銅電阻Rcu1，則只要設(shè)定與振蕩角頻率ω的一次方成反比的增益即可。所以與利用電容器C2使相位旋轉(zhuǎn)的情形相比，能使其電路設(shè)計(jì)變得容易，能提高銅電阻補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性。還能獲得減少其頻率依從關(guān)系等效果。
此外，如上所述，在利用移相電路15時(shí)，例如將熱敏電阻等作為外附器件附加在增益調(diào)整用電阻(Ro)16、或反饋量調(diào)整用電阻(Rconst)等上，據(jù)此則能方便地對(duì)其移相特性作微調(diào)。因而，就能包括銅電阻Rcu1的溫度依從關(guān)系在內(nèi)，有效地消除該銅電阻Rcu1的影響。
(第二實(shí)施形態(tài))圖4表示該實(shí)施形態(tài)涉及的高頻振蕩型接近傳感器的主要部分的簡要構(gòu)成圖。該高頻振蕩型接近傳感器是這樣構(gòu)成，即從放大器12將驅(qū)動(dòng)電流供給所述雙線線圈構(gòu)成的檢測(cè)用線圈11的公共連接點(diǎn)A并驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生振蕩，同時(shí)，經(jīng)反相放大器18將銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的端子C上產(chǎn)生的電壓反饋給諧振電路用線圈L1的端子B，通過這樣來補(bǔ)償檢測(cè)用線圈11的銅電阻Rcu1。
即，反相放大器18例如由同相輸入端子(+)接地、在反相輸入端子(-)上接受輸入電壓進(jìn)行反相工作的運(yùn)算放大器構(gòu)成。而該雙線線圈的銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的另一端C與上述運(yùn)算放大器(反相放大器18)的反相輸入端連接，該運(yùn)算放大器(反相放大器18)的輸出端與所述諧振電路用線圈L1的另一端B連接。
這樣構(gòu)成的振蕩電路通過采用前述的圖2B所示的檢測(cè)用線圈11的等效電路，能夠重新畫成如圖5所示的電路。具體來說，檢測(cè)用線圈11中銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的銅電阻Rcu2變成與反相放大器18的反相輸入端子(-)連接。又因該反相放大器18的輸入阻抗如前所述足夠大，故電流不會(huì)流入上述反相輸入端子(-)。因此，銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的銅電阻Rcu2上不產(chǎn)生電壓降，C點(diǎn)的電位Vc始終等于D點(diǎn)的電位Vd。其結(jié)果，銅電阻補(bǔ)償用線圈L2的銅電阻Rcu2的值變成與檢測(cè)用線圈11無關(guān)。
又因反相放大器18的同相輸入端子(+)接地，故該反相放大器18以上述接地電位(0V)為基準(zhǔn)，在前述D點(diǎn)的電位Vd為正[Vd＞0]時(shí)，反相放大器18的輸出成為負(fù)(-)的電壓。反之，D點(diǎn)的電位Vd為負(fù)[Vd＜0]時(shí)，反相放大器18的輸出成為正(+)的電壓。
而且，反相放大器18由于形成反饋環(huán)路，使得反相輸入端子(-)和同相輸入端子(+)的電位始終相等(Vc＝Vd)，所以通過反相放大器18動(dòng)作，使得C點(diǎn)的電位變成反相放大器18的同相輸入端子(+)的電位，即變成接地電位
。其結(jié)果，如前所述，通過控制使得C點(diǎn)的電位Vc始終等于D點(diǎn)的電位Vd，使得[Vd＝0V]，所以D點(diǎn)就變成虛擬的接地。
于是，按照上述構(gòu)成的振蕩電路，能從檢測(cè)用線圈11和電容器C1構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路中，將上述檢測(cè)用線圈11的銅電阻Rcu1虛擬短路。而該諧振電路如圖5所示，由諧振電路用線圈L1的電感L、交流電阻分量Ri、被檢測(cè)體中渦流損耗Rt、及電容器C1組成。其結(jié)果，在檢測(cè)用線圈11的銅電阻Rcu1中沒有上述諧振電路的電流流過。
更加詳細(xì)來說，相對(duì)于檢測(cè)用線圈11的電抗ωL1，諧振電路用線圈L1的交流電阻分量Ri及渦流損耗Rt小得多。為此，如設(shè)由檢測(cè)用線圈11的電感L產(chǎn)生的A點(diǎn)電位為Va，則在諧振電路用線圈L1中流過的電流i1如圖6所示，變成比上述電壓Va相位滯后90°的電流。而且，由于該電流i1的作用，與諧振電路用線圈L1的銅損有關(guān)的歐姆性電阻Rcu1上產(chǎn)生[Rcu1·i1]的電壓降。
另一方面，反相放大器18的輸出電壓Vout如前所述進(jìn)行輸出，使D點(diǎn)的電位Vd始終為零
。因此，下式成立。
Vout-Vd＝Vout＝-Rcu1·i1＝Rcu2·i2電流i1和電流i2如圖6所示，具有以下的關(guān)系。
i1＝-i2即從反相放大器18輸出和諧振電路用線圈L1的銅電阻Rcu1中流過的電流i1大小相等、而相位相反的電流i2，從而使D點(diǎn)等效接地，銅電阻Rcu1虛擬短路。其結(jié)果，能將D點(diǎn)的電位Vd作為零
而虛擬接地，消除諧振電路用線圈L1的銅電阻Rcu1的影響。
另外，如上所述，由于利用將D點(diǎn)虛擬接地，從而使諧振電路用線圈L1的銅電阻Rcu1中流過的電流為零
，所以，從端子A-B間看諧振電路用線圈L1時(shí)，D點(diǎn)的電位是
，故實(shí)際上檢測(cè)用線圈1內(nèi)存在的銅電阻可忽略不計(jì)，可以將銅電阻Rcu1視作0Ω。
這樣，按照上述構(gòu)成的振蕩電路，因能虛擬地將檢測(cè)用線圈1所含的銅電阻Rcu1短路，所以能和前述的實(shí)施形態(tài)一樣大大改進(jìn)檢測(cè)用線圈1的Q值比。還能除去因銅電阻Rcu1引起的溫度依從關(guān)系，力圖使其振蕩動(dòng)作穩(wěn)定，進(jìn)而亦能力圖使作為接近傳感器的動(dòng)作穩(wěn)定。還能延長接近傳感器的檢測(cè)距離，同時(shí)能構(gòu)成檢測(cè)精度高的接近傳感器。
再者，上述振蕩電路中，通過反相放大器18使D點(diǎn)的電位維持在0V。從該反相放大器18輸出的電流是和流過諧振電路用線圈L1的歐姆性電阻Rcu1的電流的大小及頻率等均相等、而其相位僅差180°的反相的電流。因而，諧振電路的諧振頻率變動(dòng)，由此，流過該諧振電路用線圈L1的歐姆性電阻Rcu1的電流的頻率也發(fā)生變化，和該變化的頻率相同頻率的反相電流從反相放大器18向諧振電路用線圈L1的銅電阻Rcu1輸出。因此，能防止因頻率變動(dòng)引起的虛擬接地的變動(dòng)，能確實(shí)地將銅電阻Rcu1短路。所以，就不需要補(bǔ)償電路以補(bǔ)償由于頻率變動(dòng)而引起的電路常數(shù)的變動(dòng)。尤其是諧振電路用線圈L1可以作為不存在銅電阻Rcu1的檢測(cè)線圈來決定其電路常數(shù)，所以其設(shè)計(jì)容易，也很容易使電路構(gòu)成簡化。
再有，由于利用反相放大器18虛擬接地，使D點(diǎn)始終為0V，因此能不受各個(gè)器件特性離散的影響，有效地排除諧振電路用線圈L1的銅電阻Rcu1的影響。
為了對(duì)上述振蕩電路中線圈的銅電阻補(bǔ)償效果進(jìn)行驗(yàn)證，本申請(qǐng)的發(fā)明者們對(duì)用于高頻振蕩型接近傳感器的檢測(cè)線圈在各種條件下的電阻分量進(jìn)行了測(cè)量。具體來說，將檢測(cè)線圈的周圍溫度設(shè)定在常溫(25℃)、低溫(-25℃)、高溫(70℃)的情況下，設(shè)振蕩頻率為200kHz，測(cè)量其電阻值。
圖7為在線材狀態(tài)時(shí)、纏繞在線圈架上時(shí)、磁芯插入線圈架時(shí)、裝入金屬外殼中時(shí)、及被檢測(cè)體S距檢測(cè)線圈7mm時(shí)，分別測(cè)量上述各溫度條件下的線圈的電阻分量，將其測(cè)量結(jié)果作圖。還有，在圖中，將檢測(cè)用線圈1的銅電阻Rcu、交流電阻分量Ri、檢測(cè)體中的渦流損耗Rt分別加在一起表示。
對(duì)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，則可知形成線圈的線材本身所具有的銅電阻在-25℃～70℃的溫度范圍中，為約0.87Ω～約1.23Ω。采用該線材形成檢測(cè)線圈，再裝入金屬外殼中時(shí)的電阻值，由于加上在檢測(cè)線圈上產(chǎn)生的交流電阻分量Ri，則在-25℃～70℃的溫度范圍中變成約1.8Ω～約2.27Ω。而且，被檢測(cè)體S一接近檢測(cè)線圈(7mm)，則被檢測(cè)體內(nèi)部就產(chǎn)生渦流損耗，所以還要對(duì)線圈增加渦流損耗Rt。
如該圖所示，檢測(cè)線圈的電阻部分中，銅電阻Rcu所占的比例大，溫度變化會(huì)對(duì)線圈特性帶來較大的影響。附帶說明一下，在該測(cè)量所用的線圈中，不采用前述銅電阻補(bǔ)償電路時(shí)的Q值比為Q值比＝(Rcu+Ri)/(Rcu+Ri+Rt)＝91[％]另外，采用本發(fā)明的銅電阻補(bǔ)償電路時(shí)約Q值比為Q值比＝Ri/(Ri+Rt)＝80[％]即，如將前述本發(fā)明的銅電阻補(bǔ)償電路應(yīng)用于該測(cè)量所用的線圈，則其結(jié)果可使其Q值比改進(jìn)11％左右。可以說這顯著地表現(xiàn)出由于設(shè)置虛擬接地點(diǎn)從而將銅損電阻分量虛擬短路的效果。
(第三實(shí)施形態(tài))在實(shí)現(xiàn)與被檢測(cè)體S的接近距離對(duì)應(yīng)的多個(gè)點(diǎn)處對(duì)被檢測(cè)體S進(jìn)行檢測(cè)的高頻振蕩型接近傳感器時(shí)，要構(gòu)筑具有例如根據(jù)與被檢測(cè)體S間的距離而改變振蕩幅度的動(dòng)作特性的、所謂軟振蕩電路。在實(shí)現(xiàn)這種軟振蕩電路時(shí)，基本上作為驅(qū)動(dòng)檢測(cè)用線圈11進(jìn)行振蕩的放大器12，只要例如采用如圖8所示的非線性放大器21即可。
還有，當(dāng)然也可采用非線性放大器21，作為圖1所示的振蕩電路的放大器12、或圖4所示的振蕩電路的放大器12。
該非線性放大器21起到根據(jù)檢測(cè)用線圈11的Q值變化而使該檢測(cè)用線圈11上產(chǎn)生的振蕩幅度變化的作用。該非線性放大器21其簡要構(gòu)成例如如圖9所示，并聯(lián)設(shè)置利用第一基準(zhǔn)電壓Va進(jìn)行偏置的第一放大器21a、利用第二基準(zhǔn)電壓Vb(＝-Va)進(jìn)行偏置的第二放大器21b、及具有規(guī)定的放大增益(增益Go)的第三放大器21C，在輸出放大器21d中將上述各放大器21a、21b、21c的各放大輸出相加后輸出。
還有，第一放大器21a的偏置電壓Vin1能以下式給出。
Vin1＝[1+R11/(R12+R13)]Va另外，第一放大器21a具有并聯(lián)連接在其輸入輸出端之間的二極管D11、及串聯(lián)地介于其輸出端的二極管D12，將上述偏置電壓Vin1作為界限，通過有選擇地將電阻R12形成的反饋環(huán)路進(jìn)行偏置，從而改變對(duì)于輸入電壓Vin的放大增益。其結(jié)果，第一放大器21a在輸入電壓Vin小于上述偏置電壓Vin1時(shí)，[Vin≤Vin1]，按照下式V01＝-Vin(R12/R11)+(1+R12/R11)Va得到輸出電壓V01。又在輸入電壓Vin大于上述偏置電壓Vin1時(shí)，[Vin＞Vin1]，按照下式V01＝[R13/(R12+R13)]Va變成得到固定的輸出電壓V01。
另外，第二放大器21b的偏置電壓Vin2能以下式給出，Vin2＝[1+R21/(R22+R23)]Vb。
而且，該第二放大器21b也具有并聯(lián)連接在其輸入輸出端之間的二極管D21、及串聯(lián)地介于其輸出端的二極管D22，將上述偏置電壓Viin2作為界限，通過有選擇地將電阻R22形成的反饋環(huán)路進(jìn)行偏置，從而改變對(duì)于輸入電壓Vin的放大增益。其結(jié)果，第二放大器21a在輸入電壓Vin大于偏置電壓Vin2時(shí)，[Vin≥Vin2]，按照下式V02＝-Vin(R22/R21)+(1+R22/R21)Vb得到輸出電壓V02。又在輸入電壓Vin不超過上述偏置電壓Vin2時(shí)，[Vin＜Vin2]，按照下式
V02＝[R23/(R22+R23)]Vb變成得到固定的輸出電壓V02。
非線性放大器21通過用前述的輸出放大器2d將上述第一及第二放大器21a、21b的各放大輸出V01、V02、和第三放大器21c的放大輸出相加合成，在整體上表現(xiàn)為按照其輸入電壓Vin使其放大增益變化的如圖10中例舉的非線性輸入輸出特性。然后，輸入所述檢測(cè)用線圈11產(chǎn)生的振幅電壓Va作為其輸入電壓Vin，通過電阻22將其輸出電壓Vout進(jìn)行電流變換，供給該檢測(cè)用線圈11，從而驅(qū)動(dòng)檢測(cè)用線圈11產(chǎn)生振蕩。
還有，在圖8所示的振蕩電路中，設(shè)置取出所述檢測(cè)用線圈11產(chǎn)生的電壓的緩沖器13，該緩沖器13的輸出通過電容器17將相位旋轉(zhuǎn)90°后，反饋給所述檢測(cè)用線圈11的銅電阻補(bǔ)償用線圈L2。該緩沖器13及電容器17如前所述，起到作為消除檢測(cè)用線圈11的銅電阻Rcu的補(bǔ)償電路的作用，通過抵消上述銅電阻Rcu，來改進(jìn)檢測(cè)用線圈1的前述Q值比，同時(shí)亦擔(dān)負(fù)著抵消該檢測(cè)用線圈11對(duì)溫度的依從關(guān)系的作用。
但是如前所述，若采用前述的圖1所示的移相電路代替上述電容器17，則由于只要設(shè)定與振蕩角頻率ω的一次方成反比的增益即可，所以與采用電容器17來使相位旋轉(zhuǎn)的情形相比，其電路設(shè)計(jì)容易。而且能更加提高銅電阻補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性，還能起到減小其頻率依從性等效果。
即采用移相電路15的方法能提高相對(duì)于振蕩頻率變化的銅電阻消除的穩(wěn)定性，大大緩和軟振蕩時(shí)要求非線性放大器2的制約條件，能減小其頻率依從關(guān)系。因此，起到能更加簡單地利用非線性放大器21實(shí)現(xiàn)軟振蕩的效果。
另外，在采用非線性放大器21作為圖4所示的振蕩電路的放大器12時(shí)，也能起到同樣的效果。
再者，本發(fā)明并不僅限于上述諸實(shí)施形態(tài)，其振蕩頻率、檢測(cè)靈敏度等可根據(jù)規(guī)格而設(shè)定。另外，這里的檢測(cè)用線圈11用銅線構(gòu)成，對(duì)抵消其銅電阻分量作了說明，但在檢測(cè)用線圈11由鋁等其它的導(dǎo)體構(gòu)成時(shí)，同樣也能消除其內(nèi)阻分量。另外，當(dāng)然按照其規(guī)格只要設(shè)定電路常數(shù)等即可?？偠灾?，在不超出本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)，可對(duì)本發(fā)明作各種變形并實(shí)施。
工業(yè)上的實(shí)用性按照本發(fā)明，因?yàn)槭闺p線線圈組成的檢測(cè)用線圈上產(chǎn)生的振振蕩輸出電壓的相位旋轉(zhuǎn)，并反饋給該檢測(cè)用線圈，通過這樣使該檢測(cè)用線圈的內(nèi)阻分量虛擬地短路，所以能改進(jìn)檢測(cè)用線圈的Q值及Q值比，力圖提高其檢測(cè)靈敏度，又能消除因線圈的內(nèi)阻引起的對(duì)溫度的依從關(guān)系。而且，還由于能以采用移相電路、或反相放大器的簡單構(gòu)成使內(nèi)阻虛擬短路，故能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)靈敏度高、動(dòng)作特性穩(wěn)定的高頻振蕩型接近傳感器，在實(shí)用上本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)甚多。
權(quán)利要求
1.一種高頻振蕩型接近傳感器，其特征在于，包括，雙線線圈，該線圈實(shí)質(zhì)上由兩根一端公共連接并絞合的線圈導(dǎo)體構(gòu)成，將其一個(gè)線圈作為諧振電路用線圈，同時(shí)另一個(gè)線圈作為內(nèi)阻補(bǔ)償用線圈；振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，用于向該雙線線圈公共連接的一端供給驅(qū)動(dòng)電流；緩沖器，用于取出在所述雙線線圈的一端產(chǎn)生的振蕩輸出電壓；及移相電路，用于使由該緩沖器取出的振蕩輸出電壓的相位旋轉(zhuǎn)規(guī)定角度后反饋給所述內(nèi)阻補(bǔ)償用線圈，以抵消所述雙線線圈的內(nèi)阻分量。
2.如權(quán)利要求1所述的高頻振蕩型接近傳感器，其特征在于，所述移相電路包括電阻，該電阻與所述移相電路串聯(lián)，并規(guī)定由所述緩沖器取出的振蕩輸出電壓中給所述內(nèi)阻補(bǔ)償用線圈的反饋量。
3.如權(quán)利要求1所述的高頻振蕩型接近傳感器，其特征在于，所述移相電路包括對(duì)于由所述緩沖器取出的振蕩輸出電壓的相位旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行調(diào)整的旋轉(zhuǎn)相位角調(diào)整裝置。
4.一種高頻振蕩型接近傳感器，其特征在于，包括雙線線圈，該線圈實(shí)質(zhì)上由兩根一端公共連接并絞合的線圈導(dǎo)體構(gòu)成，將其一個(gè)線圈作為諧振電路用線圈，同時(shí)另一個(gè)線圈作為內(nèi)阻補(bǔ)償用線圈；振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，用于向該雙線線圈公共連接的一端供給驅(qū)動(dòng)電流；及補(bǔ)償裝置，用于將大小和從所述諧振電路用線圈的一端流向其另一端的電流相等的電流，從所述諧振電路用線圈的另一端流向所述內(nèi)阻補(bǔ)償用線圈的另一端，將所述諧振電路用線圈的內(nèi)阻分量虛擬短路。
5.如權(quán)利要求4所述的高頻振蕩型接近傳感器，其特征在于，利用所述補(bǔ)償裝置將所述諧振電路用線圈的內(nèi)阻分量虛擬短路，是對(duì)所述雙線線圈的自感分量和交流電阻分量的串聯(lián)電路，分別公共地串聯(lián)連接所述諧振電路用線圈及所述內(nèi)阻補(bǔ)償用線圈的各內(nèi)阻分量，將這樣構(gòu)成的等效電路中的公共連接點(diǎn)虛擬接地。
6.如權(quán)利要求4所述的高頻振蕩型接近傳感器，其特征在于，所述補(bǔ)償裝置由將所述內(nèi)阻補(bǔ)償用線圈的另一端上產(chǎn)生的電壓進(jìn)行反相放大并負(fù)反饋給所述諧振電路用線圈的另一端的反相放大器構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求6所述的高頻振蕩型接近傳感器，其特征在于，所述反相放大器由其放大增益等效為無限大的運(yùn)算放大器構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1或4所述的高頻振蕩型接近傳感器，其特征在于，驅(qū)動(dòng)電壓加在所述雙線線圈的公共連接的一端上的振蕩驅(qū)動(dòng)電路由根據(jù)所述雙線線圈的Q值變化而使所述公共連接的一端產(chǎn)生的振蕩幅度變化的非線性放大器構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求8所述的高頻振蕩型接近傳感器，其特征在于，所述非線性放大器使所述雙線線圈產(chǎn)生的振蕩電壓的振幅多級(jí)變化，并賦予該非線性放大器和所述雙線線圈組成的高頻振蕩電路具有軟振蕩特性。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高頻振蕩型接近傳感器，該傳感器采用雙線線圈作為檢測(cè)用線圈11，所述雙線線圈實(shí)質(zhì)上由兩根一端公共連接并絞合的線圈導(dǎo)體構(gòu)成，其一個(gè)線圈作為諧振電路用線圈L1，同時(shí)另一個(gè)線圈作為銅電阻補(bǔ)償用線圈L2。另外，包括向該雙線線圈的公共連接的一端供給驅(qū)動(dòng)電流以驅(qū)動(dòng)檢測(cè)用線圈進(jìn)行振蕩的振蕩驅(qū)動(dòng)電路12、取出上述雙線線圈的一端產(chǎn)生的振蕩輸出電壓的緩沖器13、及使由該緩沖器取出的振蕩輸出電壓的相位旋轉(zhuǎn)規(guī)定的角度并反饋給所述銅電阻補(bǔ)償用線圈后抵消所述雙線線圈的銅電阻分量的移相電路15，從而力圖提高檢測(cè)靈敏度。另外，利用非線性放大器21構(gòu)成所述振蕩驅(qū)動(dòng)電路，使所述雙線線圈產(chǎn)生的振蕩電壓的振幅多級(jí)變化，賦予該非線性放大器和所述雙線線圈構(gòu)成的高頻振蕩電路具有軟振蕩特性。
文檔編號(hào)G01V3/10GK1516925SQ0281217
公開日2004年7月28日 申請(qǐng)日期2002年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月18日
發(fā)明者林巧, 川井真一, 畑中浩, 一, 林 巧 申請(qǐng)人:株式會(huì)社山武