근접스위치

근접스위치(proximity switch , contactless switch)는 검출물체가 접근한 것을 비접촉으로 검출하는 스위치이다. 기계적인 가동 부분이 없고, 또 스위치에 접촉하지 않더라도 물체를 가까이 하기만 하면 그것을 전기적으로 검출하여 동작한다.

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개요

근접스위치는 기계적으로 온-오프를 하던 리밋 스위치나 마이크로 스위치 대신, 비접촉 동작으로 같은 스위칭 작용을 하게 한 센서이다. 센서의 동작원리로부터 고주파 발진식, 정전용량식, 자기식, 광전식(방사선도 포함)으로 분류할 수 있다. 일반적으로 근접스위치라고 할 경우에는 고주파 발진식과 정전용량식인 것을 의미한다. 다른 두 방식은 리드스위치, 광전스위치라 하여 구별하고 있다. 고주파발진식 근접 스위치는 검출코일에 금속물체가 접근하면 전자 유도작용에 의하여 금속물체내에 유도전류가 흐르고, 검출코일의 인덕턴스가 변화한다. 따라서 검출코일에 발진회로를 접속해 놓으면 발진회로의 발진 주파수나 발진진폭이 변화하여 스위칭 동작을 시킬 수 있다. 검지대상은 금속물체에 국한된다. 정전용량식 근접스위치는 도체 전극을 가진 검출부에 피검지 물체가 접근하면 센서 부분의 정전용량이 크게 변화하는 현상을 이용한 것이다. 정전용량 변화를 이용하고 있기 때문에 피검지대상물은 금속, 비금속 어느 것이든 좋다. 따라서 플라스틱, 종이, 반도체 등 모든 유전체를 검지할 수 있는 이점이 있다.

원리

고주파 발진형 근접스위치

아래와 같이 근접스위치 선단의 검출 코일로부터 고주파 자계가 발생하고 있다. 이 자계에 검출물체를 접근시키면 전자유도 현상에 의해 금속중에 유도 자계가 흘러 손실이 발생하고 발진이 감쇠 또는 정지한다. 이 상태의 변화를 검출 회로로 검출하여 출력회로를 동작시킨다.

정전용량형 근접스위치

검출부에 유도 전극을 가지고 있으며 전극에 물체가 접근하였을 때는 검출부의 유도전극과 대지간의 정전용량이 크게 변화하며 그 변화량을 검출하여 출력신호를 발생시키는 방법이다.

특징

① 비접촉으로 검출한다. 종래의 기계적 스위치와는 달리 비접촉으로 검출할 수 있으므로 검출물체나 근접스위치를 손상시킬 우려가 없다.

② 내 환경성이 좋다. 절삭유 등이 튀는 악영향에도 확실한 검출이 가능하다.

③ 고정도. 반복정도가 매우 높으므로 위치 결정용으로 가장 적합하다.

④ 응답속도가 빠르다. 응답 주파수가 높으므로 고속으로 이동하는 물체에 대하여도 안정된 검출성능을 갖는다.

⑤ 수명이 길다. 무접점 출력이므로 수명이 길어 보수가 거의 필요 없다.

＊ 금속이외의 물체 검출 : 검출물체가 자성체(금속)인 경우에는 고주파발진형으로 검출할 수 있으며 비자성체(물, 나무, 프라스틱)인 경우에는 정전용량형으로 검출한다. ＊ 검출거리 : 검출거리를 길게 하기위해 검출코일을 크게 한다던지 코일부분을 비쉴드로 하는 방법이 있다만 포토센서등에 비하여 검출거리는 짧다.

종류

구성에 의한 분류

전자회로의 각 구성요소가 어떠한 구조로 내장되어 있는가, 분리되어 있는가의 차이점에 따라 구분한다. 부착공간, 공급전원 및 내노이즈성의 강약 등에 대한 선택에 유효하다.

검출방식에 의한 분류

근접스위치의 원리란에 기술한 검출방식 및 발진주파수에 따라 구분한다.

검출헤드의 구조에 의한 분류

검출헤드(검출코일) 주변의 구조에 따라 구분한다. 부착방법, 검출거리등에 대한 선택에 유효하다.

출력회로에 의한 분류

근접스위치의 출력을 접속하는 기기나 장치의 입력조건에 대하여 어떠한 기종이 적합한가를 선택하는 경우에 유효하다.

• 자기형 : 자기형 근접스위치는 접점소자와 자석소자로 분리되고, 접점소자의 가운데에는 리드스위치, 자석소자의 가운데에는 영구자석이 내장되어 있는 구조dl다.

리드스위치는 글래스관의 중간에 2본의 자성합금으로 만들어진 리드가 있고, 글래스 관은 기밀구조로 되어 있다. 외부의 자계가 존재하고 2본의 리드는 자기를 가져 리드의 선단은 서로 반대의 자극이 되어 서로 흡인gks다. 이 원리를 이용하여 만들어진 거리형 스위치가 자기형 근접스위치이다. 이 흡인력은 설정거리의 2승에 반비례하고, 자석소자가 접근하면 리드스위치의 접점이 ON/OFF한다. 이 원리를 이용하여 검출체의 유/무를 무접촉으로 검출하고 이것에 의하여 부하를 직접개폐할 수 있는 기능을 가지고 있다.

• 자기포화형 (인덕턴스검출형) : 코어에 코일을 감으면 인덕턴스가 형성되는데, 이 인덕턴스는 코어의 투자율이 저하되는 성질을 가지고 있다. 여기서 u가 저하하면 인덕턴스도 따라서 저하되기 때문에 전압E도 이것에 대응하여 저하되게 된다. 이 원리를 이용하여 자계의 변화를 잡는 원리를 이용한 것이 자기포화형 근접스위이다.

자기포화형 근접센서는 여러종류의 회로기술이 복합적으로 필요하다. 그래서 특수한 경우에 주로 사용한다. 이 센서를 이용하면, ±0.1mm정도의 위치결정 제어도 가능하다고 한다.

• 고주파발진형 : 검출면은 발진회로에 접속되고 페라이트코어에 감겨져 있는 코일이 배치되어 있고 검출면을 제외한 페라이트코어의 주변을 금속으로 둘러싸 주위의 금속의 영향을 받지 않는 구조로 되어 있다. 검출력을 일정 전압치로 검출하여 스위칭 출력으로서 얻어낸 것이 근접스위치이고, 검출출력을 직접 또는 리니어라이져를 통하여 출력한 것이 근접센서이다.

• 차동코일형 : 발진회로에 접속된 여자코일과 이것에 대칭적인 배치로 되어 있는 차동코일에 유기된 전압을 증폭회로에서 증폭하도록 되어 있다. 금속을 센서에 근접시켰을 때 금속측에 발생하는 와류에 의하여 자속이 변화하기 때문에 검출코일의 출력이 변화하는 것을 이용한 센서이다. 이 센서는 구조상 열, 빛, 대상물 표면의 영향을 잘 받지 않고 소형, 경량화가 가능하여 아크용접용 로봇 등에 사용된다.

• 정전용량형

이것이 일반적으로 근접스위치라 부르는 물건이다. 검출스위치는 보통 검출 코일로부터 자계를 발생시켜 검출물체에 와전류를 생성하여 그 변화를 검출하는 것으로 검출물체는 도체(금속)에 한정되어 있다. 그렇지만 정전용량형 근접센서의 경우는 전계를 발생하는 전계중에 존재하는 물체 내의 전하의 이동, 분리에 따른 정전용량의 변화를 검출하는 것으로 플라스틱, 유리, 목재와 같은 절연물(유전체)그리고, 물, 기름, 약품 등과 같은 액체의 검출도 가능하다. 이와 같은 원리로서 정전용량의 변화를 이용한 제품으로 정전용량형 레벨스위치도 있다. 원리는 기능처럼 다소 복잡한 듯합니다만 이해하시면 의외로 간단하다. 정전용량형 레벨스위치는 레벨이라는 한정된 목적으로 사용되기때문에 전계의 발생에 따른 변화를 감지하는 전극이 회로로부터 돌출하여 구성되어 있다. 이에 비래 정전용량형 근접센서는 일반스위치와 똑같은 원주형 또는 사각의 형태를 이루고 있으며, 전극은 케이스 내부에 함께 내장되어 있다. 검출원리가 같은 이유 때문에 당연히 정전용량형 근접스위치도 레벨의 검출이 가능하고 실제 레벨검출용으로 사용하기도 한다. 또, 정전용량형은 일반적으로 검출감도가 높고, 미소한 정전용량의 변화도 검출한다. 그리고 도체와 유전체를 분리하여 검출하는것은 일반 광전센서와 별반 다를 것이 없지만 광전센서는 검출거리가 광범위 하여 검출물체의투명도, 색, 표면의 반사상태 등의 영향을 받을 수 있지만, 근접스위치는 10Cm이내의 소위근접위치 범위에 있고, 기본적인 구조와 같이 전계의 확산으로 분해능을 기대할 수 있다는 장점이 있다. 구조는 일반 근접스위치와 같이 검출부는 고주파발진회로로 구성되어 있으나, 일반 근접스위치가 발진코일에 흐르는 전류에 의해 생성되는 전류를 이용하는데 비하여 정전용량형은 전극에 인가되는 전압에 생성되는 전계를 이용한다.

사용분야

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• 콘베어시스템
• 자동차산업
• 포장기계
• 제어 및 자동화기능
• 목공기계

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• 자동창고 및 물류시스템
• 섬유기계
• 프라스틱가공기계
• 공작기계
• 충진용 기계 (비전도성)

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참고자료

• 〈근접 스위치〉, 《센서용어사전》
• 〈근접 스위치〉, 《기계공학용어사전》
• 〈근접 스위치〉, 《용어해설》
• JD 청년사람, 〈펌 근접 스위치의 종류와 원리 (서영재)〉, 《네이버 블로그》, 2005-12-26

같이 보기

• 근접센서
• 리미트 스위치
• 마이크로스위치
• 정전용량

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