JP4750439B2 - 誘導近接センサ - Google Patents

Description

本発明は、特に工業環境における電磁方式検出および検知の分野に関し、詳細には、誘導近接センサまたはスイッチに関する。

さらに詳細には、本発明は、以下を備える種類の誘導センサに関し、すなわち、
・ センサの前面動作平面を画定し、かつハウジングのカバープレートまたは平面部分に結合された誘導コイルであって、前記プレートまたは部分は、低導電性の非磁性金属で作製され、前記プレートまたは部分は、コイル軸に垂直に配置されかつセンサの前面動作平面に平行に配置される、誘導コイルと、
・ コイルまたはインダクタンスに繰り返し電流を供給する手段と、
・ 電流が供給されたときに、前記コイルまたはインダクタンスに誘起される電圧に相当する信号を処理する手段とを備え、前記誘起される電圧が、所定の検出領域内の物体または本体の存在により、それら物体または本体の距離および構成材料に応じて影響を受け、前記コイルまたはインダクタンスはＬＣ回路の一部である。

共振回路を用いる誘導近接スイッチは、既に知られている。この種類のセンサの作動原理は以下の通りである。

金属物体が、センサ近くに（センサの検出領域内）存在しないとき、共振状態で作動する発振器から構成される測定回路は、最大振幅で発振する。金属物体が、スイッチの作動部分に近づくと、前記物体により誘起されるフーコー電流による損失が発生し、これにより共振振幅の減少が生じる。

この減少した振幅を基準値と比較することにより、金属物体の存在の検出が可能になる。

前述された種類のセンサの例は、米国特許第４８９３０７６号に開示されている。

前記米国特許において提案されているセンサの大きな欠点は、比較的低い閾値で起動するセンサを提供するために、高品質な発振器を必要とすることである。この方法は、完全な金属ハウジング内で検出器を使用することができない。この理由は、この場合には、発振器の品質が、大幅に低下するためである（金属表面部分におけるさらなるエネルギー吸収のため）。

この現象は、添付図の図７Ａおよび図７Ｂを比較することにより説明され、これらの図は、同一コイルを有する２つの同一ＬＣ回路からの電圧のオシログラムを示す。これらの図に示される信号を発生した装置間の唯一の差は、図７Ｂの信号を発生する装置において追加のステンレススチール製非磁性プレート（１ｍｍ厚さ）が存在することであり、前記プレートは、前記装置のＬＣ回路のコイル上に置かれていた。

これより、ステンレススチール製プレートは、発振器の品質だけでなく、発振信号の周波数も変化させることが明らかに分かる。したがって、この金属部品は、センサの機械的または物理的部品としてだけでなく、発振回路を形成する電気構成部品の主要部品として扱われる必要があり、前記プレートは、発振器の性能および周波数に大きな影響を与える。

別の種類の誘導近接スイッチは、欧州特許出願公開第０４９２０２９号から知られている。この近接スイッチにおいて、コイルは、周期的伝送電流パルスを直接供給される。有効信号は、適切な電子回路により得られ、この電子回路は、伝送電流パルスにより本体内に誘起される電圧によって、検出される本体内にあらかじめ流れている電流の減衰により、前記コイルに誘起される受信電圧に応答する。

欧州特許出願公開第０４９２０２９号から知られている近接スイッチの実施形態において、コイルに誘起される前述の電圧は、比較的短い時間ウィンドウにわたり積分され、適切な処理後に平滑化された有効信号を得る。この信号は、基準電圧と比較され、本体が存在する場合、近接スイッチの近傍で検出される本体の存在を示す出力信号を生成する。このような近接スイッチは、金属本体、例えばアルミニウムまたは鋼の検出において、適切なスイッチ距離を実現する。

しかしながら、欧州特許出願公開第０４９２０２９号の誘導近接スイッチは、周期電流をコイルに供給し、コイルへの電流のほぼ中断直後に得られる測定値を求めることができる正確な信号発生器を必要とし、これにより、過渡状態の間は、１つの周期から次の周期まで必ずしも同一に再現されない。この結果として検出および検知に誤差が生じる。

さらに米国特許第６１３３６５４号は、欧州特許出願公開第０４９２０２９号に記載された種類の誘導近接スイッチを開示しており、このスイッチは、攻撃的（ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ）環境における近接スイッチの動作表面に及ぼされる機械応力の状態下、および高い周囲圧力の状態下における使用に適しており、金属本体、例えばアルミニウムまたはスチールの検出において適切なスイッチ距離をまだ提供する。

設定された目的を達成するために、この米国特許は、欧州特許出願公開第０４９２０２９号に記載された種類の誘導近接スイッチを提供し、前記コイルと、コイルに周期的伝送電流を供給する前記回路と、前記信号を処理する前記手段とが、円筒形ハウジング内に配置されている。このハウジングは、近接スイッチの作動表面側で閉鎖され、かつ強磁性体でない金属から構成され、その固有電気抵抗は比較的高い。
米国特許第４８９３０７６号明細書 欧州特許出願公開第０４９２０２９号明細書 米国特許第６１３３６５４号明細書 欧州特許出願公開第１１６８６２６号明細書 独国特許出願公開第２１１９５０７号明細書 欧州特許出願公開第０１５６６９６号明細書

本発明の目的は、米国特許第４８９３０７６号、欧州特許出願公開第０４９２０２９号、および米国特許第６１３３６５４号から知られている従来技術における制限を克服する、すなわち正確でありかつ高信頼性の結果を提供し、構造が簡単である、前述の種類の誘導近接センサを提供することである。

したがって、本発明は、このような誘導近接センサに関し、このセンサは、供給する手段が、基本的にＬＣ回路のキャパシティまたはキャパシタから成ることと、ＬＣ回路が、２つの状態、すなわち、コイルまたはインダクタンスがキャパシティと分離され、前記キャパシティが充電される第１の状態と、コイルまたはインダクタンスがキャパシティと接続され、前記キャパシティが前記コイルまたはインダクタンスを通して放電される第２の状態との間で繰り返し切換えられ、前記第２状態の間、および次の状態ならびに有効回路パラメータの切換えまで、ＬＣ回路が自由に発振することができ、したがって発振電圧信号が、検出領域内に置かれた物体および／または本体により変更されることと、電圧信号の振幅測定が、第１の状態から第２の状態にそれぞれ切換わる後で（すなわち、各切換え後の特定時間において）、前記発振電圧信号の特定の所定の点で実行され、前記測定結果を基準測定値と関連して計算することにより、センサの作動表面または端部までの距離、構成材料の性質、および／または検出領域内に置かれた物体または本体のマス（ｍａｓｓ）を表す値を求めることとを特徴とする。

本発明は、本発明の非限定の例として与えられる実施形態の以下の説明および図面により、さらによく理解されるであろう。

図１、図２Ａ、および図２Ｂに示す通り、誘導近接センサＤは、
・ センサＤの前面動作平面を画定し、かつハウジングのカバープレートまたは平面部分に結合された誘導コイルＬであって、前記プレートまたは部分は、低導電性の非磁性金属で作製され、前記プレートまたは部分は、コイル軸に垂直に配置されかつセンサの前面動作平面に平行に配置され、したがって等価磁気回路の一部分を形成している、誘導コイルＬと、
・ コイルまたはインダクタンスに繰り返し電流を供給する手段Ｃ、Ｓと、
・ 電流が供給されたときに、前記コイルまたはインダクタンスＬに誘起される電圧Ｖに相当する信号を処理する手段ＳＰとを備え、前記誘起される電圧Ｖが、所定の検出領域内の物体または本体Ｂの存在により、それら物体または本体の距離および構成材料に応じて影響を受け、前記コイルまたはインダクタンスＬは、並列ＬＣ回路の一部である。

本発明によれば、前記供給する手段は、基本的にＬＣ回路のキャパシティまたはキャパシタＣから成る。ＬＣ回路は、２つの状態、すなわち、コイルまたはインダクタンスＬがキャパシティＣと分離され、前記キャパシティＣが充電される第１の状態と、コイルまたはインダクタンスＬがキャパシティＣと接続され、前記キャパシティＣが前記コイルまたはインダクタンスＬを通して放電される第２の状態との間で、繰り返し切換えられ、前記第２の状態の間、および次の状態ならびに有効回路パラメータの切換えまで、ＬＣ回路が自由に発振でき、したがって発振電圧信号が、検出領域内に置かれた可能な物体および／または本体Ｂにより変更され、電圧信号の振幅測定は、前記第１の状態から第２の状態にそれぞれ切換わる後で、前記発振電圧信号の特定の所定の点で実行され、前記測定結果を、基準測定値と関連して計算することにより、センサＤの作動表面または端部を形成する前面動作表面までの距離、構成材料の性質、および／または検出領域内に置かれた物体または本体Ｂのマスを表す値を求める。

好ましくは、前記センサＤは、隙間のないステンレススチール製ハウジング内に組み込まれる。誘導コイルは、フェライトキャップの開放側に置くことができ、金属プレートは、このキャップの開放（動作）表面に置かれ、前記表面は、センサＤの前面動作平面を形成する。

本発明の好ましい特徴によれば、ＬＣ回路の状態は、キャパシティＣとコイルＬを相互に、相互接続または分離できるスイッチング手段ＳＭＩにより決定され、前記スイッチング手段ＳＭＩは、周期的に、例えば所定の周期Ｔを有する矩形波または方形波パルス信号により駆動される。

有利には、キャパシティＣは、ＬＣ回路の第１の状態期間における繰返し充電を保証するように構成された直流電圧源Ｓの両端子に接続され、抵抗Ｒ’は、前記電圧源Ｓと前記キャパシタンスＣとの間に直列に接続する場合があり、前記抵抗Ｒ’は、前記回路のいずれかの構成部品の抵抗、またはこのような抵抗のいくつかの合計（スイッチ、接続部）である場合もある。

図２Ａおよび図２Ｂに示す通り、単一スイッチング手段ＳＭＩを用いてセンサＤを構成して、キャパシティＣの充電および放電を制御できる。

あるいは、図１に示す通り、センサＤは、電圧源ＳとキャパシタンスＣを相互に、相互接続または分離できる第２のスイッチング手段ＳＭ２を備えることができ、前記第２のスイッチング手段ＳＭ２は、キャパシティＣとコイルＬを接続／分離するスイッチング手段ＳＭ１と比較して逆位相で駆動される。

次に、前記センサＤは以下のように作動する。
・ ＳＭ２は閉およびＳＭ１は開：Ｃは充電される（ＬＣ回路の第１の状態）。
・ ＳＭ２は開およびＳＭ１は閉：ＣはＬを通して放電される（ＬＣ回路の第２の状態）。

本発明の好ましい特徴によれば、キャパシティＣの値、およびこの事例が生じる場合抵抗Ｒ’の値は、ＲＣ定数、ここでＲは、電圧源Ｓおよび場合によっては別個の抵抗Ｒ’を有するキャパシタンスＣの内部抵抗の合計が、パルス信号周期Ｔに比べて数分の１小さくなるように決定される。

さらに詳細には、およびセンサＤの実際の実施形態に関しては、ＲＣ定数は、パルス信号周期Ｔに比べて２分の１から１０分の１、好ましくは、３分の１から５分の１小さい。

最も正確な測定を提供するために、振幅値がまだ重要なとき、コイルまたはインダクタンスＬの両端子における電圧振幅測定が実行される所定の時点は、第２の状態期間の間に前記端子において記録される、第２または任意のさらに完全に形成された交番の減衰発振電圧信号の最大振幅絶対値にほぼ一致する。

好ましくは、本発明に関連する測定目的に対する関連する交番のランクは、有意な振幅値と信頼性の高い変調深さとの間の妥協であり、考慮される交番のランクが増加するとより良くなる。

実際には、測定は、２番目および４番目の最大絶対値の間で実施できる。

この時、過渡現象は現れず、ＬＣまたはＬＲＣ回路は安定モードで発振し、全く同様に再現でき、振幅減少は完全な指数関数に従う。

図４Ａおよび図５から明らかな通り、有利には、コイルＬの両端子で記録される電圧信号を用いて、差信号（センサの近くに物体または本体が存在するときと存在しないときのコイル電圧の差）を生成し、この差信号に関して問題の電圧測定を実行できる。次に、前記測定値は、処理手段ＳＰにより線形値に変換され、図５の例で示す通り、事前に記録された線形関数を用いて所定の物体の距離を推定することを可能にする。

本発明の別の展開によれば、ＬＣまたはＬＲＣ回路を第１の状態から第２の状態に切換え後、コイルまたはインダクタンスＬの両端子における電圧値の測定を実行する遅延ＤＭは、変調深さまたは変調度（ｇｒａｄｅ）の時間依存性を用いて計算され、線形関数に基づいてその値を最適化される。

変調度Ｍ＝ｆ（遅延）
ここで、

Ｕ_Ｌ０（ｔ）は、あらゆる影響のないコイル電圧であり、
Ｕ_Ｌ１（ｔ）は、コイル電圧に影響を与える検出領域内に物体または本体が存在するときのコイル電圧である。

図３から図５のグラフは、以下の特定値、すなわち電圧源Ｓの直流電圧：５Ｖ、Ｒ’＝２００Ω、Ｃ＝０．１μＦ、Ｌ＝０．１４ｍＨを有するセンサＤを用いて得られた。

図３から明らかな通り、ＬＣまたはＬＲＣ回路の発振周波数は、好ましくは１０ｋＨｚから５０ｋＨｚの値を有するのに対して、繰返し周波数またはスイッチング周波数は、２ｋＨｚから１０ｋＨｚの値を有し、前記周波数間の比は、１／４から１／６、好ましくは約１／５である。

コイルＬの直径は５．６ｍｍであり、内部抵抗は２．６Ωである。前記コイルは、外径７．２５ｍｍのフェライト構造体に置かれた。全構成部品は、１ｍｍ厚さの前面壁（センサＤの動作表面）を有するステレススチール製の非磁性体ハウジング内に組み込まれ、センサＤは同一平面構成で使用された。

誘導近接センサＤは、以下の目的に用いることができるが、これに限定されない。
・ 予め設定された検出領域内で、所定の強磁性または非強磁性金属物体または本体の存在および距離を検知するため、および／または、
・ 予め設定された検出領域内に存在し、各種の強磁性および／または非強磁性金属材料で形成されるか、または少なくとも一部をカバーされた物体または本体を検知および識別するため。

当業者には理解されることであるが、詳細には図４Ｂを参照すると、非鉄金属の物体または本体Ｂモードについては、得られる結果は反対になる。すなわち、コイルＬの電圧振幅は、前記物体または本体がセンサＤの前面の動作端に近づくと増加する。

物体または本体、詳細にはセンサの検知または検出領域内に置かれた、移動する物体に関して繰り返し得られる情報を利用して、関連する物体または本体に関する連続的データ（距離、材料の種類など）を得るか、または２進データ（連続的取得データを閾値と比較することにより）を送出できる。

このように、本発明は、パルス発振技術に基づく、金属製ハウジング内の誘導センサを提案する。

本発明は、本明細書で説明しかつ示した好ましい実施形態に限定されないことはもちろんであり、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更の実現および等価物の使用が可能である。

本発明によるセンサの第１の実施形態の概略図である。 本発明によるセンサの第２の実施形態の概略図であり、ＬＣ回路は第１の状態である。 本発明によるセンサの第２の実施形態の概略図であり、ＬＣ回路は第２の状態である。 連続した第１の状態および第２の状態の間の、図２Ａおよび図２ＢのＬＣ回路のキャパシティの電圧およびコイルの電圧のオシログラムを示す図である。 図２ＢのＬＲＣ回路の第２の状態段階において測定される、差電圧信号（センサからの様々な距離において、物体が存在しないときの基準電圧と、物体が存在するときの電圧との差）を、第２の状態段階の開始からカウントされた時間の関数として、図式的に示す図である。 センサにより発生した差モード信号を、前記センサの検知面に対する様々な金属で形成された物体の距離の関数として示しており、磁性または非磁性対象物からの信号が、反対極性を有し、センサと当該物体との間の距離により指数関数的に減少することを、図式的に示す図である。 物体の距離を、スイッチング手段ＳＭＩを閉じた後の（すなわち、第２の状態段階の開始からカウントされて）所定の時点において得られる差モード信号の指数関数として、対数目盛で図式的に示す図である。 測定の遅延を、図２Ａおよび図２Ｂのスイッチング手段ＳＭＩを駆動する周期信号の変調度の関数として、図式的に示す図である。 同一コイルを有する２つの同一ＬＣ回路からの電圧のオシログラムを示す図である。 同一コイルを有する２つの同一ＬＣ回路からの電圧のオシログラムを示す図である。

符号の説明

Ｄ 誘導近接センサ
Ｌ 誘導コイル
Ｃ、Ｓ 電流を供給する手段
ＳＭＩ スイッチング手段
Ｓ ＤＣ電圧源
Ｒ’ 抵抗

Claims (11)

1. 誘導近接センサ（Ｄ）であって、
   ・ センサ（Ｄ）の前面動作平面を画定し、かつ前記センサのハウジングのカバープレートまたは平面部分に結合された誘導コイル（Ｌ）を備え、前記プレートまたは部分は、低導電性の非磁性金属で作製され、前記プレートまたは部分は、コイル軸に垂直に配置されかつセンサの前面動作平面に平行に配置され、等価磁気回路の一部分を形成し、前記誘導近接センサ（Ｄ）がさらに、
   ・ コイルまたはインダクタンスに繰り返し電流を供給する手段（Ｃ、Ｓ）と、
   ・ 電流が供給されたときに、前記コイルまたはインダクタンス（Ｌ）に誘起される電圧（Ｖ）に相当する信号を処理する手段（ＳＰ）とを備え、前記誘起される電圧（Ｖ）が、所定の検出領域内の物体または本体（Ｂ）の存在により、それら物体または本体の距離および構成材料に応じて影響を受け、前記コイルまたはインダクタンス（Ｌ）は並列ＬＣ回路の一部であり、
   前記供給する手段が、基本的にＬＣ回路のキャパシティまたはキャパシタ（Ｃ）から成り、ＬＣ回路は、２つの状態、すなわち、コイルまたはインダクタンス（Ｌ）がキャパシティ（Ｃ）と分離され、前記キャパシティ（Ｃ）が充電される第１の状態と、コイルまたはインダクタンス（Ｌ）がキャパシティ（Ｃ）と接続され、前記キャパシティ（Ｃ）が前記コイルまたはインダクタンス（Ｌ）を通して放電される第２の状態との間で繰り返し切換えられ、前記第２の状態の間、および次の状態ならびに有効回路パラメータの切換えまで、ＬＣ回路が自由に発振することができ、したがって発振電圧信号が、検出領域内に置かれた物体および／または本体（Ｂ）により変更され、電圧発振信号の振幅測定が、前記第１の状態から第２の状態にそれぞれ切換わる後で、前記電圧信号の特定の所定の点で実行され、前記測定結果を基準測定値と関連して計算することにより、センサ（Ｄ）の作動表面または端部を形成する前面動作表面までの距離、構成材料の性質、および／または検出領域内に置かれた物体または本体（Ｂ）のマスを表す値を求めることを特徴とする、誘導近接センサ（Ｄ）。
2. ＬＣ回路の状態が、キャパシティ（Ｃ）とコイル（Ｌ）とを相互に、相互接続または分離できるスイッチング手段（ＳＭＩ）により決定され、前記スイッチング手段（ＳＭＩ）が、周期的に例えば所定の周期（Ｔ）を有する矩形波または方形波パルス信号により駆動されることを特徴とする、請求項１に記載の誘導近接センサ。
3. キャパシティ（Ｃ）が、ＬＣ回路の第１の状態期間における繰返し充電を保証するように構成された直流電圧源（Ｓ）の両端子に接続され、抵抗（Ｒ’）が、前記電圧源（Ｓ）と前記キャパシタンス（Ｃ）との間に直列に接続される場合があることを特徴とする、請求項１または２に記載の誘導近接センサ。
4. センサが、電圧源（Ｓ）とキャパシタンス（Ｃ）とを相互に、相互接続または分離できる第２のスイッチング手段（ＳＭ２）を備え、前記第２のスイッチング手段（ＳＭ２）が、キャパシティ（Ｃ）とコイル（Ｌ）を接続／分離するスイッチング手段（ＳＭ１）と比較して逆位相で駆動されることを特徴とする、請求項２に従属するときの請求項３に記載の誘導近接センサ。
5. キャパシティ（Ｃ）の値、および場合によっては抵抗（Ｒ’）の値は、ＲＣ定数が、パルス信号周期（Ｔ）に比べて数分の１小さくなるように決定され、ここでＲは、電圧源（Ｓ）および場合によっては別個の抵抗（Ｒ’）を有するキャパシタンス（Ｃ）の内部抵抗の合計であることを特徴とする、請求項２、または請求項２に従属するときの請求項３および４のいずれかに記載の誘導近接センサ。
6. ＲＣ定数が、パルス信号周期（Ｔ）に比べて２分の１から１０分の１、好ましくは、３分の１から５分の１小さいことを特徴とする、請求項５に記載の誘導近接センサ。
7. コイルまたはインダクタンス（Ｌ）の両端子における電圧振幅測定を実行する所定の時点は、第２の状態期間の間に前記端子において記録される、第２または任意のさらなる完全に形成された交番の減衰発振電圧信号の最大振幅絶対値にほぼ一致することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の誘導近接センサ。
8. ＬＣまたはＬＲＣ回路を第１の状態から第２の状態に切換え後、コイルまたはインダクタンス（Ｌ）の両端子における電圧値の測定を実行する遅延は、変調深さまたは変調度の時間依存性を用いて計算され、線形関数に基づいて遅延の値が最適化され、
   変調度Ｍ＝ｆ（遅延）
   ここで、
   

   

   Ｕ_Ｌ０（ｔ）は、あらゆる影響のないコイル電圧であり、
   Ｕ_Ｌ１（ｔ）は、コイル電圧に影響を与える検出領域内に物体または本体が存在するときのコイル電圧であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の誘導近接センサ。
9. 前記センサ（Ｄ）が、隙間のないステンレススチール製ハウジングに組み込まれることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の誘導近接センサ。
10. 予め設定された検出領域内で、所定の強磁性または非強磁性金属物体または本体の存在および距離を検知することを特徴とする、請求項１に記載の誘導近接センサ。
11. 予め設定された検出領域内に存在し、各種の強磁性および／または非強磁性金属材料で形成されるか、または各種の強磁性および／または非強磁性金属材料で少なくとも一部をカバーされた物体または本体を検知および識別することを特徴とする、請求項１に記載の誘導近接センサ。

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