(57)【要約】【課題】有接点スイッチでは為し得なかった接触信頼性および機械的寿命の向上を図ることができ、かつ、無接点スイッチによる誤動作をも解消する。【解決手段】マンマシンインターフェイスとして、通常の切換スイッチ部２Ａの把手を用いてユーザが操作しやすく、オン／オフの切換は接点部の接触／非接触によるのではなく、接点部の接触／非接触時の極間静電容量ＣＳＷを変化させることにより発振回路３Ａからの出力発振周波数を切り替え、フィルタ回路４Ａを信号通過するか否かによりスイッチ部２Ａによるオン／オフ信号を生成し、このオン／オフ信号によって各種負荷をオン／オフ制御する。【選択図】  図５
2004227782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オン／オフ切り換えによりスイッチ極間静電容量を可変するスイッチ部と、
該スイッチ極間静電容量の切り換えに応じて出力発振周波数を可変する発振手段と、
該発振手段からの発振周波数出力の一方を信号通過させ、その他方を信号遮断するフィルタ手段とを備え、
該フィルタ手段からの信号出力を用いて該スイッチ部によるオン／オフ切り換え信号とするスイッチ装置。
【請求項２】
前記スイッチ部は、前記フィルタ手段を信号通過または信号遮断するのに十分な出力発振周波数差を得るスイッチ極間静電容量差に設定されている請求項１記載のスイッチ装置。
【請求項３】
前記スイッチ極間静電容量差は、前記スイッチ部の接点オン時のスイッチ極間静電容量と、該スイッチ部の接点オフ時のスイッチ極間静電容量との差である請求項２記載のスイッチ装置。
【請求項４】
前記スイッチ部の接点オン時のスイッチ極間静電容量は、接点接触不良時のスイッチ極間静電容量である請求項３記載のスイッチ装置。
【請求項５】
前記フィルタ手段は、前記スイッチ部のスイッチ極間静電容量に対応した出力発振周波数の一方を信号通過させ、その他方を信号遮断する信号通過帯域に設定されている請求項１または２記載のスイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に各種低電圧負荷などをオン／オフ制御可能とする入力回路（入力装置）としてのスイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、入力回路のスイッチ装置として有接点スイッチと無接点スイッチとがあり、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）などの各種負荷をオン／オフ制御する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、有接点スイッチは、接触部が粉塵や皮膜などで汚損されると接触障害（接触不良）を生じる。このため、例えば近接スイッチに見られるカラス封止型スイッチなど、有接点スイッチを密閉状の封止型構造にすることにより接触信頼性の向上を図っている。また、有接点スイッチは、上記接触信頼性の問題と共に、繰り返し機械的動作によりその接触部分が損耗するため、機械的寿命が電気的寿命に対して大幅に短いという欠点も有している。
【０００４】
一方、無接点スイッチは上記有接点スイッチと異なり、スイッチングさせるための駆動信号が必要となる。特に、機械的動作を位置検出してスイッチングするためには、位置検出センサに基づいてスイッチング用の駆動信号を出力制御するための制御回路と、この駆動信号によりスイッチとして信号出力するための出力回路とを有する必要がある。
【０００５】
ところが、一般に、その機械的動作と、位置をセンシングしてスイッチングする回路動作とは独立しているため、上記有接点スイッチのような機械的な信頼性が得にくい。例えば、受光素子と発光素子を持つ検出スイッチでは、その受光部と発光部の少なくとも何れかが汚損することで検出動作に障害（誤動作）が発生する。このような汚損による誤動作の観点から、磁気センサによる検出スイッチは、機械的な動作に対する例えば位置検出用としては有用であるが、外部磁界を容易に受けやすいという別の欠点があり、外部磁界による誤動作の観点から、外部磁界に対する十分な対策が必要となる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、従来の有接点スイッチでは為し得なかった接触信頼性および機械的寿命の問題を解消すると共に、無接点スイッチによる誤動作をも解消できるスイッチ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のスイッチ装置は、オン／オフ切り換えによりスイッチ極間静電容量を可変するスイッチ部と、このスイッチ極間静電容量の切り換えに応じて出力発振周波数を可変する発振手段と、この発振手段からの発振周波数出力の一方を信号通過させ、その他方を信号遮断するフィルタ手段とを備え、フィルタ手段からの信号出力を用いてスイッチ部によるオン／オフ切り換え信号とするものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【０００８】
また、好ましくは、本発明のスイッチ装置において、スイッチ部は、フィルタ手段を信号通過または信号遮断するのに十分な出力発振周波数差を得るスイッチ極間静電容量差に設定されている。このスイッチ極間静電容量差は、スイッチ部の接点オン時のスイッチ極間静電容量と、スイッチ部の接点オフ時のスイッチ極間静電容量との差である。また、このスイッチ部の接点オン時のスイッチ極間静電容量は、接点接触不良時のスイッチ極間静電容量である。
【０００９】
また、好ましくは、本発明のスイッチ装置において、フィルタ手段は、スイッチ部のスイッチ極間静電容量に対応した出力発振周波数の一方を信号通過させ、その他方を信号遮断する信号通過帯域に設定されている。
【００１０】
さらに、好ましくは、本発明のスイッチ装置において、フィルタ手段からの信号出力を増幅する増幅手段と、この増幅手段からの信号出力を二値信号に変換出力する出力手段とを更に備える。
【００１１】
上記構成により、以下、その作用について説明する。
【００１２】
本発明にあっては、スイッチ部のオン／オフ切り換え動作に応じてスイッチ極間静電容量が可変され、可変したスイッチ極間静電容量に応じて発振手段からの発振周波数出力を可変し、可変した発振周波数出力を信号通過させるか信号遮断するかにより、スイッチ部のオン／オフ切り換え信号とするので、従来の有接点スイッチでは為し得なかった接触信頼性および機械的寿命の問題を解消すると共に、無接点スイッチによる誤動作という従来の課題をも解消することが可能となる。
【００１３】
本発明のスイッチ装置は、各種低電圧負荷として例えばプログラマブルシーケンサやＣＰＵ（中央演算処理装置）などの入力回路（入力装置）として好適に用いることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスイッチ装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態におけるスイッチ装置の要部構成を示すブロック図である。
【００１６】
図１において、スイッチ装置１は、接点部のオン／オフ動作でスイッチ極間静電容量か変化するスイッチ部２と、そのスイッチ極間静電容量に応じて発振周波数出力を変化させる発信手段としての発振回路３と、一方の発振周波数出力を通過させ、他方の発振周波数出力を遮断するフィルタ手段としてのフィルタ回路４と、フィルタ出力の増幅手段としての増幅回路５と、増幅回路５からの増幅出力に基づいてオン出力またはオフ出力する出力手段としての出力回路６とを有し、有接点の機械的接触信頼性と無接点の接触信頼性を兼ねたものである。
【００１７】
スイッチ部２は、接点部をオン状態（接点間隔が最小）とオフ状態（接点間隔が最大）に切り替えることにより接点容量（スイッチ極間静電容量）を可変に構成している。このオン／オフ切り替えは、ユーザが例えば操作部（把持部；把手）を回動させたり、押ボタンやアクチュエータを押すことにより行うことができる。スイッチ部２としては、位置検出用のリミットスイッチや、ユーザが操作する各種操作スイッチなどが考えられるが、以下に詳細に説明するように、接点の接触／非接触（オン／オフ）によりフィルタ回路４（フィルタ手段）を信号通過または信号遮断するのに十分な出力発振周波数差を得る程度に（得るように）スイッチ極間静電容量を大きく変化させる必要がある。
【００１８】
発振回路３は、例えば矩形波発振回路などで構成されている。この矩形波発振回路では、スイッチ部２の接点間隔（オン／オフ）および接点対向面積による接点容量（スイッチ極間静電容量）に応じて出力発振周波数を可変するようになっている。
【００１９】
フィルタ回路４は、発振回路３からの発振周波数出力に対して所定の発振周波数範囲のみで通過可能としており、発振回路３からの発振周波数出力の一方を信号通過させ、その発振周波数出力の他方を信号遮断するものである。
【００２０】
増幅回路５は、フィルタ回路４からのフィルタ出力信号を所定の増幅率で増幅する。
【００２１】
出力回路６としては、増幅回路５からの増幅出力信号に応じて負荷に必要な電流容量に対応した出力信号を出力させたり、または、増幅回路５からの増幅出力信号を、所定の閾値と比較してハイレベル信号かまたはローレベル信号の二値信号として出力したりする。
【００２２】
ここで、スイッチ部２の接点容量（スイッチ極間静電容量）を発振回路３に含めて出力発振周波数を切り換える場合の具体例について説明する。
【００２３】
まず、発振回路３の基本回路構成について説明する。
【００２４】
図２は、一般的な矩形波発振回路の基本回路図である。図２では、出力端子ＯＵＴから出力される出力発振周波数信号は、後段のインバータ（またはインバータ回路）の直列帰還回路を構成する抵抗Ｒと容量Ｃの積である時定数ＣＲによって決定される。この場合に、スイッチＳＷの接点容量を用いて発振回路の容量Ｃを検出部として可変することを考えると、スイッチＳＷでその接点間の隙間が十分に取れないと、出力発振周波数の変化量が少なく、オン／オフの検出感度を良くすることができない。このオン／オフの検出感度を良くするためには、接点容量（スイッチ極間静電容量）を大きくする必要がある。この接点容量を大きくするためには、接触部の接点間隔および対向面積の少なくとも何れかを大きく取る必要がある。
【００２５】
図３では、抵抗Ｒ、静電容量Ｃ１，Ｃ２、および静電容量Ｃ２を短絡するスイッチＳＷにより、発振回路の静電容量を切り換えて出力発振周波数を変化させるようにしている。即ち、スイッチＳＷが開いた状態（オフ状態）では、抵抗Ｒおよび静電容量Ｃ１，Ｃ２の時定数により出力発振周波数が決定され、また、スイッチＳＷが閉じた状態（オン状態）では、抵抗Ｒおよび静電容量Ｃ１の時定数により出力発振周波数が決定される。このとき、静電容量Ｃ１，Ｃ２の関係がＣ１≫Ｃ２であれば、出力発振周波数の変化量を大きくすることができ、この場合には、検出感度を良くするための回路を必要としない。
【００２６】
ところが、これだけでは、スイッチＳＷの接点部が接触障害を生じれば、スイッチＳＷとして機能しなくなる。そこで、本発明では、スイッチ部２Ａの接点部のスイッチ極間静電容量ＣＳＷを検出要素として構成する。このスイッチ極間静電容量ＣＳＷを矩形波発振回路３Ａに含めた本発明の構成例を図４に示している。
【００２７】
本発明の図４では、後段のインバータの帰還回路として静電容量Ｃ１，Ｃ２、抵抗Ｒがこの順に直列に接続されており、この静電容量Ｃ２に並列に可変の静電容量ＣＳＷが接続されている。これらの抵抗Ｒ、静電容量Ｃ１，Ｃ２，ＣＳＷにより、発振回路３Ａにおける静電容量を切り換えて出力発振周波数を変化させるようにしている。即ち、スイッチ部２Ａの接点部の接触が健全な場合には、その接点部極間が無限小となり、その接点部極間に生じるスイッチ極間静電容量ＣＳＷは無限大となる。このとき、静電容量Ｃ１，Ｃ２，ＣＳＷの合成容量は静電容量Ｃ１に極めて近い値になり、出力発振周波数は抵抗Ｒおよび静電容量Ｃ１の時定数により決定される。
【００２８】
また、スイッチ部２Ａの接点部の接触表面が粉塵や皮膜などで汚損した場合にも、一般的にスイッチとして接触障害に至る程度の皮膜厚を１０μｍとすれば、接点部極間の対向面積を１００ｍｍ２とした場合に、極間静電容量ＣＳＷは約９０ｐＦの静電容量（空気中）となる。
【００２９】
例えば、Ｃ１＝１００ｐＦ、Ｃ２＝１０ｐＦとすると、スイッチＳＷに皮膜が生じた場合であっても、約５０ｐＦの合成容量を得ることができる。
【００３０】
また、スイッチ部２Ａの接点部が完全に開いたオフ状態で合成容量としては、静電容量Ｃ１，Ｃ２から約９ｐＦである。また、スイッチ部２Ａの接点部が健全な状態で閉じた場合（オン状態）には、静電容量Ｃ１，Ｃ２，ＣＳＷの合成容量は１００ｐＦである。これによって、スイッチ部２Ａの接点部が閉じた場合と開いた場合とで、１０ｄＢ以上の出力発振周波数の変化が得られ、接点部極間の対向表面に汚損が生じたことを想定した場合であっても、７ｄＢ以上の出力発振周波数の変化を得ることができる。
【００３１】
以上により得られる出力発振周波数の変化量に合わせて、図５に示すようにフィルタ回路４Ａ（ローパスフィルタ）の抵抗値ＲＦと容量値ＣＦの値を設計すればよい。なお、このフィルタ回路４Ａはローパスフィルタに限らずバンドパスフィルタまたはハイパスフィルタであってもよい。
【００３２】
具体例に数値を挙げて説明すると、抵抗値Ｒ＝１００ｋΩとした場合、
スイッチ部２Ａの閉状態の出力発振周波数ｆ１は、
2004227782.tif 000003
スイッチ部２Ａの開状態の出力発振周波数ｆ２は、
2004227782.tif 000004
スイッチ部２Ａの接点部に皮膜が生じた場合の出力発振周波数ｆ３は、
2004227782.tif 000005
以上により、抵抗値ＲＦと容量値ＣＦを持つフィルタ回路４Ａを１００ｋＨｚのローパスフィルタとすれば、スイッチ部２Ａの接点部に皮膜が生じた場合であっても、スイッチ２Ａの開閉状態を明確に区別してフィルタ回路４Ａから信号出力することができて、従来のようにスイッチＳＷの接点部の接触障害（接触不良）による影響を受けない。
【００３３】
また、スイッチ部２Ａの接点部の損耗（磨耗など）によって接触部の抵抗値が上がることを想定した場合においても、設計上で高抵抗値Ｒ（図５ではＲ＝１００ｋΩ）を用いれば、接点接触部の抵抗変化（数十Ω程度）は問題にならない。
【００３４】
ここで、図６を用いて、本発明のスイッチ装置の他の具体例について説明する。図１のスイッチ部２、発振回路３、フィルタ回路４、増幅回路５および出力回路６に対して、図６のスイッチ部２Ｂ、発振回路３Ｂ、フィルタ回路４Ｂ、増幅回路５Ｂおよび出力回路６Ｂがそれぞれ対応している。このスイッチ部２Ｂは開閉器である。
【００３５】
以上により、本実施形態によれば、マンマシンインターフェイスとして、通常の切換スイッチの把手を用いてユーザが操作しやすく、また、機械的構造部の動作による位置検出の場合にもスイッチのアクチュエータを押すだけであり、オン／オフの切換自体は接点部の機械式の接触／非接触によるのではなく、接点部の接触／非接触時の極間静電容量を変化させることにより発振回路３からの出力発振周波数を切り替え、フィルタ回路４を信号通過するか否かによりスイッチ部によるオン／オフ信号を生成し、このオン／オフ信号によって各種負荷をオン／オフ制御することができる。これによって、従来の有接点スイッチでは為し得なかった接触信頼性や機械的寿命の問題を解消すると共に、無接点スイッチによる誤動作をも解消することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、スイッチ部のオン／オフ切り換え動作に応じたスイッチ極間静電容量により発振手段の発振周波数出力を可変し、可変した発振周波数出力を信号通過させるか否かによりスイッチ部のオン／オフ切り換え信号とするため、従来の有接点スイッチでは為し得なかった接触信頼性および機械的寿命の問題を解消すると共に、無接点スイッチによる誤動作という従来の課題をも解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるスイッチ装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】一般的な矩形波発振回路の基本回路図である。
【図３】図２の矩形波発振回路においてスイッチを用いて発振周波数を切り替える場合の回路図である。
【図４】本発明のスイッチ極間静電容量を用いて発振周波数を変える場合の発振回路図である。
【図５】図４の発振回路図にフィルタ回路を接続した場合の回路図である。
【図６】図１のスイッチ装置の一具体例を示す回路図である。
【符号の説明】
１    スイッチ装置
２，２Ａ，２Ｂ    スイッチ部
３，３Ａ，３Ｂ    発振回路
４，４Ａ，４Ｂ    フィルタ回路
５    増幅回路
６    出力回路
Ｒ    抵抗値
Ｃ１，Ｃ２    静電容量
ＣＳＷ    極間静電容量
【図１】
2004227782.tif 000006
【図２】
2004227782.tif 000007
【図３】
2004227782.tif 000008
【図４】
2004227782.tif 000009
【図５】
2004227782.tif 000010
【図６】
2004227782.tif 000011