JP6900771B2 - 近接センサおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、近接センサおよび近接センサにおいて実行される方法に関し、特に、誘導式近接センサおよび誘導式近接センサにおいて実行される方法に関する。

磁界を利用して金属製の検出体の有無または位置を検知する近接センサ（誘導式近接センサ）が知られている。このような近接センサにおいて、センサの検出感度を敏感にしようとすると、当該近接センサを装置に取り付けるための取付金具にセンサが反応してしまう。このため、近接センサの検出感度をあまり敏感な状態に設定することができない。その結果、近接センサによる検出距離を長くすることができていなかった。

特許文献１，２には、このような取付金具の影響を低減する技術が開示されている。
特許文献１の近接センサでは、センサの金属取付板（取付金具）への嵌め込み可能性を改善するために、１５μΩ・ｃｍよりも低い電気抵抗率と４０μｍよりも小さい厚さとを有する金属層（被覆）によって、センサコイルのコアを半径方向に囲んでいる（［要約］参照）。

特許文献２には、第１のコイルと第２のコイルとを有する近接センサが開示されている。この近接センサは、第１のコイルのＱ値および第２のコイルのＱ値に対応する値をテーブルから取得し、当該値と閾値とを比較することによって検出体の有無を判定する。

特開２０１０−２７６１１号公報 欧州特許出願公開第２２０４９０８Ａ２号明細書

特許文献１の近接センサは、制御部の機能によって取付金具の影響を低減するのではなく、金属皮膜により取付金具の影響を低減して距離の判別を行う。しかしながら、この方法で効果が得られるのは、特定の材質の取付金具に限定される。

特許文献２で用いられている、コイルのＱ値に着目する方法では、Ｑ値は個体のばらつきが大きい要素であるうえ、センサの周囲の温度の変動などによるコイルの抵抗値の変化により大きく変動するため、取付金具以外のセンサ周辺環境も含めて変化に強い実用的なセンサとして構築するのは難しい。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、従来とは異なる手法により取付金具の影響を低減することが可能な誘導式の近接センサおよび誘導式の近接センサにおいて実行される方法を提供することにある。

本発明のある局面に従うと、近接センサは、取付金具によって支持部材に取り付けられた状態で、磁界を利用して金属製の検出体の有無または位置を検知する。近接センサは、磁界を発生させるための複数の検出コイルと、各検出コイルに電流を供給する送信回路と、電流の供給によって検出コイルの両端に生じる電圧または検出コイルに流れる電流を、検出コイル毎に検出する受信回路と、受信回路によって検出された結果を用いて検出体の有無または位置を検知する制御部と、制御部によって検知された結果を出力する出力部とを備える。制御部は、受信回路によって検出された結果から、取付金具に起因する第１の成分と、検出体に起因する第２の成分とを抽出する。制御部は、第１の成分を用いて第２の成分を補償する。制御部は、補償後の第２の成分に基づき、検出体の有無または位置を検知する。

好ましくは、制御部は、第２の成分から第１の成分を差し引くことによって、第２の成分を補償する。

好ましくは、受信回路は、電圧または電流を検出コイル毎に個別に検出する。
好ましくは、受信回路は、各検出コイルによる電圧または電流を、時分割方式によって互いに異なるタイミングで検出する。

好ましくは、受信回路は、各検出コイルに対応した複数の処理系統を有する。各処理系統は、処理系統に対応する検出コイルによる電圧または電流を取得する。

好ましくは、送信回路は、各検出コイルにパルス状の励磁電流を周期的に供給するための励磁回路である。複数の検出コイルとして、第１の検出コイルと、第２の検出コイルとを含む。第２の成分は、第１の検出コイルの両端に生じる過渡電流の積算値である。第１の成分は、第２の検出コイルの両端に生じる過渡電流の積算値と、第２の検出コイルの両端に生じる過渡電流の時定数情報とに基づく値である。

好ましくは、第１の検出コイルと、第２の検出コイルとは、環状コイルである。第１の検出コイルは、第２の検出コイルの内側領域に設置されている。

本発明の他の局面に従うと、方法は、磁界を利用して金属製の検出体の有無または位置を検知する近接センサにおいて実行される。方法は、磁界を発生させるための複数の検出コイルに電流を供給するステップと、電流の供給によって検出コイルの両端に生じる電圧または検出コイルに流れる電流を、検出コイル毎に検出するステップと、検出するステップによって検出された結果を用いて検出体の有無または位置を検知するステップと、検知するステップによって検知された結果を出力するステップとを備える。検出体の有無または位置を検知するステップは、検出するステップによって検出された結果から、近接センサを支持部材に取り付けるための取付金具に起因する第１の成分と、検出体に起因する第２の成分とを抽出するステップと、第１の成分を用いて第２の成分を補償するステップと、補償後の第２の成分に基づき、検出体の有無または位置を検知するステップとを含む。

上記の発明によれば、取付金具の影響を低減することが可能となる。

近接センサの斜視図である。 近接センサの設置例を表した図である。 図２におけるiii-iii線矢視断面図である。 コイルによって生じる高周波の磁界を表した図である。 近接センサの概略構成を説明するためのブロック図である。 近接センサのハードウェア構成を説明するためのブロック図である。 検出部と送信回路との具体的な構成例を表した図である。 検出部と受信回路との具体的な構成例を表した図である。 コイルの両端に発生する電圧の波形を示した図である。 図９の受信期間におけるＡ／Ｄ変換を説明するための図である。 Ａ／Ｄ変換回路から出力される時系列データを表した図である。 制御部の機能的構成を説明するための機能ブロック図である。 補償演算部において実行される処理の具体例を説明するための図である。 補償演算に用いる演算式の設計方法例を説明するための図である。 近接センサにおいて実行される一部の処理の流れを表したフロー図である。 検出部と送信回路との具体的な他の構成例を表した図である。 検出部と受信回路との具体的な他の構成例を表した図である。 他の形態の近接センサの断面図である。 さらに他の形態の近接センサの断面図である。 さらに他の形態の近接センサの断面図である。 さらに他の形態の近接センサの断面図である。 さらに他の形態の近接センサの断面図である。 さらに他の形態の近接センサの断面図である。 さらに他の形態に係る近接センサのハードウェア構成を説明するためのブロック図である。 制御部の機能的構成を表した図である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについては詳細な説明は繰返さない。
［実施の形態１］
本実施の形態では、磁界を利用して金属製の検出体の有無または位置を検知する近接センサ（誘導式近接センサ）のうち、パルス励磁式の近接センサについて説明する。

＜Ａ．センサ構造＞
図１は、近接センサ１の斜視図である。図１を参照して、近接センサ１は、本体部５と、本体部５に接続されたリード線６と、ナット７，８と、ナット７とナット８との間に配置された座金９とを備える。なお、本体部５は、本例の場合には円柱状をしているが、これに限定されるものではない。

本体部５は、円形の検出面５ａと、筒状の筐体５ｂとを有する。筐体５ｂの表面には、ナット７，８用のネジ溝が形成されている。なお、検出面５ａは、筐体５ｂに嵌め込まれるキャップの一部分である。

ナット７，８および座金９は、近接センサ１を装置等の支持部材に取り付けるために用いられる。たとえば、ナット７，８との間に取付金具（たとえば、Ｌ字状の金具）の一部を挟み込むことによって、本体部５を支持部材に固定することができる。

近接センサ１は、必ずしも、ナット７，８と座金９とによって取付金具に固定される構成ではなくてもよい。この場合、近接センサ１は、ナット７，８と座金９とを備えていなくてもよい。

以下では、一例として、ナット７，８および座金９を外した状態で金属の取付部材（取付金具）に嵌め込むことによって、本体部５を支持部材に固定する構成を説明する。

図２は、近接センサ１の設置例を表した図である。図２を参照して、近接センサ１は、取付金具８００によって支持部材９００に取り付けられる。

取付金具８００は、上部筐体８０１と下部筐体８０２とを有する。上部筐体８０１と下部筐体８０２とは、図示しない２本のネジによって、支持部材９００に固定されている。このような取付金具８００の構成は公知であるため、ここでは詳細な説明を行わない。

なお、取付金具８００は、近接センサ１を支持部材９００に取り付けるための取付金具の一例であって、上述した構造に限定されるものではない。

図３は、図２におけるiii-iii線矢視断面図である。図３を参照して、本体部５は、検出用のコイル１１，１２と、フィライトコア１５と、基板上に素子が配置された電子回路１７（ハイブリットＩＣ）と、図示しない動作表示灯とを有する。本体部５内には、樹脂が充填されている。なお、近接センサ１は、フィライトコア１５を有しない構成であってもよい。

コイル１１，１２は、環状のコイルである。コイル１２の直径の方が、コイル１１の直径よりも大きい。コイル１１は、コイル１２の内側領域に設置されている。本例においては、コイル１１とコイル１２とは、同心円状に配置されている。なお、本体部５の中心軸Ｍ上に、同心円の中心が位置している。

コイル１１，１２は、電子回路１７と電気的に接続されている。電子回路１７は、リード線６によって給電されるとともに、外部の電子機器と電気的に接続される。

図４は、コイル１１，１２によって生じる高周波の磁界を表した図である。図４に示すように、コイル１１に励磁電流が流れることによって、矢印方向の高周波磁界Ｍ１が生じる。また、コイル１２に励磁電流が流れることによって、矢印方向の高周波磁界Ｍ２が生じる。

コイル１１，１２に励磁電流を流すことによって高周波磁界Ｍ１，Ｍ２が生じると、検出体７００に渦電流（誘導電流）が流れる。この渦電流によって、コイル１１の両端およびコイル１２の両端には誘起電圧（過渡信号）が発生する。近接センサ１は、受信回路４２によって、これらの誘起電圧を検出する。これにより、近接センサ１のＣＰＵ５９は、検出体７００の有無を検知する。なお、これに限定されず、近接センサ１は、検出体の位置を検知する構成であってもよい。

ところで、コイル１２の開磁路が外周方向に開いていると、取付金具８００との磁気結合範囲が広くなり、取付金具８００内で複数の方向の渦電流が流れることがある。これが、取付金具８００との相互作用を複雑化させる要因となる。現象を簡単化し補償精度を向上させるためには、コイル１２の開磁路を検出体７００の接近方向に限定する構造がより好ましい。

図５は、近接センサ１の概略構成を説明するためのブロック図である。図５を参照して、近接センサ１は、検出部３０と、送受信回路４０と、制御部５０と、出力部６０とを備える。送受信回路４０と、制御部５０と、出力部６０とは、電子回路１７として実現される。

制御部５０は、近接センサ１の全体の動作を制御する。制御部５０は、励磁のタイミングを制御するための制御信号を、送受信回路４０に送信する。

送受信回路４０は、上記制御信号に基づきパルス状の電流（励磁電流）を生成し、検出部３０に出力する。送受信回路４０は、励磁電流の供給および遮断によって検出部３０で発生する電圧または電流を検出する。送受信回路４０は、検出結果を制御部５０に出力する。

制御部５０は、送受信回路４０から出力された検出結果（信号）に対して後述する演算を行い、演算結果（信号）を出力部６０に対して出力する。

出力部６０は、制御部５０から送られてきた信号（検知結果）をリード線６によって、近接センサ１の接続元の電子機器に送信する。

図６は、近接センサ１のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図６を参照して、検出部３０は、コイル１１，１２により構成される。制御部５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５９等のプロセッサで構成される。出力部６０は、出力回路６１により構成される。

送受信回路４０は、送信回路４１と受信回路４２とにより構成される。送信回路４１は、励磁回路４１１により構成される。受信回路４２は、フィルタ回路４２１，４２２と、増幅回路４２３，４２４と、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換回路４２５，４２６とを含んで構成される。

励磁回路４１１は、ＣＰＵ５９からの制御信号に基づき、励磁電流を周期的に発生する。この励磁電流は、コイル１１，１２に送られる。なお、励磁電流を発生している期間を、以下では「励磁期間」とも称する。なお、コイル１１，１２が直列接続されているため、励磁期間は、コイル１１，１２で同じである。

受信回路４２は、コイル１１，１２の両端に生じる電圧（電圧信号）を、コイル１１，１２毎に検出する。詳しくは、受信回路４２は、コイル１１，１２への励磁電流の供給が遮断された後に、コイル１１，１２の両端に生じる電圧を検出する。

なお、受信回路４２は、コイル１１，１２に流れる電流をコイル１１，１２毎に検出する構成であってもよい。なお、コイル１１，１２の両端に生じる電圧を検出する期間を、以下では「受信期間」とも称する。受信期間についても、コイル１１，１２で同じ期間となるように制御（設定）されている。

フィルタ回路４２１には、コイル１１による検出結果を表すアナログ信号が入力される。フィルタ回路４２１は、ノイズを除去するため、入力されたアナログ信号に対して所定のフィルタ処理を行なう。

増幅回路４２３は、フィルタ処理がなされたアナログ信号を増幅し、増幅後のアナログ信号をＡ／Ｄ変換回路４２５に出力する。

Ａ／Ｄ変換回路４２５は、増幅回路４２３によって増幅された後のアナログ信号を、デジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換回路４２５は、当該デジタル信号をＣＰＵ５９に出力する。

フィルタ回路４２２には、コイル１２による検出結果を表すアナログ信号が入力される。フィルタ回路４２２は、ノイズを除去するため、入力されたアナログ信号に対して所定のフィルタ処理を行なう。

増幅回路４２４は、フィルタ処理がなされたアナログ信号を増幅し、増幅後のアナログ信号をＡ／Ｄ変換回路４２６に出力する。

Ａ／Ｄ変換回路４２６は、増幅回路４２４によって増幅された後のアナログ信号を、デジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換回路４２６は、当該デジタル信号をＣＰＵ５９に出力する。

以上のように、近接センサ１は、取付金具８００によって支持部材９００に取り付けられた状態で、磁界を利用して金属製の検出体の有無または位置を検知する。近接センサ１は、（i）磁界を発生させるための複数の検出用のコイル１１，１２と、（ii）各コイル１１，１２に電流を供給する送信回路４１と、（iii）電流の供給によってコイル１１，１２の両端に生じる電圧またはコイル１１，１２に流れる電流を、コイル１１，１２毎に検出する受信回路４２と、（iv）検出結果を用いて検出体７００の有無または位置を検知する制御部５０とを備える構成である。

図７は、検出部３０と送信回路４１との具体的な構成例を表した図である。図７を参照して、コイル１１とコイル１２とは、直列に接続されている。詳しくは、励磁回路４１１がコイル１１の一端に接続され、コイル１１の他端がコイル１２の一端に接続されている。

励磁回路４１１は、ＣＰＵ５９からの制御信号に基づき励磁電流を発生する。この励磁電流Ｉは、コイル１１およびコイル１２を、この順に流れる。

図８は、検出部３０と受信回路４２との具体的な構成例を表した図である。図８を参照して、コイル１１の両端はフィルタ回路４２１に接続されている。コイル１２の両端はフィルタ回路４２２に接続されている。

また、受信回路４２は、互いに独立した、コイル１１用の処理系統４８とコイル１２用の処理系統４９とを有する。処理系統４８は、フィルタ回路４２１と増幅回路４２３とＡ／Ｄ変換回路４２５とにより構成される。処理系統４９は、フィルタ回路４２２と増幅回路４２４とＡ／Ｄ変換回路４２６とにより構成される。

このような構成により、受信回路４２は、コイル１１の両端に発生した誘起電圧を表す電圧信号とコイル１２の両端に発生した誘起電圧を表す電圧信号とを独立して処理することができる。つまり、受信回路４２は、これらの電圧信号を独立に取り出すことが可能な回路構成を有する。これにより、受信回路４２は、両電圧信号を個別にＣＰＵ５９に出力することができる。

＜Ｂ．データ処理＞
（ｂ１．時系列データの生成）
図９は、コイル１１の両端に発生する電圧の波形を示した図である。図９を参照して、期間Ｔ１（時刻ｔａ〜ｔｂの間）は励磁期間である。この励磁期間の後、コイル１１の両端には誘起電圧（過渡信号）が発生する。近接センサ１では、誘起電圧が発生する期間の少なくとも一部の期間Ｔ２（時刻ｔｃ〜ｔｄの間）を、受信期間としている。受信回路４２は、受信期間（期間Ｔ２）内の電圧信号に対して、Ａ／Ｄ変換を行う。

図９においては、検出体７００がない場合に検出される電圧を実線のグラフで表し、検出体７００が存在する場合に検出される電圧を破線のグラフで表している。この２つのグラフから明らかように、検出体７００が存在する場合には、検出体７００が存在しない場合に比べて、励磁期間後（時刻ｔｂよりも後）において、電圧の値が低くなる。

それゆえ、制御部５０は、検出体７００が存在する場合と存在しない場合とで値が異なるデジタル信号を受信回路４２から受け取ることになる。

コイル１２の両端に発生する電圧の波形についても、図９に示した波形と似たような傾向を示すので、ここでは繰り返し説明をしない。

図１０は、図９の受信期間である期間Ｔ２におけるＡ／Ｄ変換を説明するための図である。図１０を参照して、時刻ｔｃから一定の時間間隔で電圧値を検出し、これらの値を受信回路４２による受信データとして制御部５０に送信する。図１０の例の場合、Ａ／Ｄ変換によって、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，…，ｔＮにおける電圧値Ｖａ（１），Ｖａ（２），Ｖａ（３），…，Ｖａ（Ｎ）を得る。なお、以下では、時刻ｔｊ（ｊは、１以上Ｎ以下の整数）における電圧値をＶａ（ｊ）と表記する。

また、コイル１２についても、同様のＡ／Ｄ変換によって、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，…，ｔＮにおける電圧値Ｖｂ（１），Ｖｂ（２），Ｖｂ（３），…，Ｖｂ（Ｎ）を得る。なお、以下では、時刻ｔｊにおける電圧値をＶｂ（ｊ）と表記する。

図１１は、Ａ／Ｄ変換回路４２５，４２６（図６参照）から出力される時系列データＤ１１を表した図である。図１１を参照して、受信回路４２は、受信期間内の電圧値Ｖａ（ｊ）と受信期間内の電圧値Ｖｂ（ｊ）とを時刻に対応付けて一時的に記憶することにより時系列データＤ１１を生成し、受信期間が終了した時点で、制御部５０に時系列データＤ１１を送る。

なお、制御部５０が逐次電圧値Ｖａ（ｊ），Ｖｂ（ｊ）を受信回路４２から取得して、制御部５０が時系列データＤ１１を生成する構成であってもよい。

（ｂ２．前処理演算）
図１２は、制御部５０の機能的構成を説明するための機能ブロック図である。図１２を参照して、制御部５０は、時系列データ取得部５１と、前処理演算部５２と、補償演算部５３と、後処理演算部５４とを備える。

時系列データ取得部５１は、受信回路４２から時系列データＤ１１を取得し、時系列データＤ１１を前処理演算部５２に送る。なお、時系列データＤ１１の取得および前処理演算部５２への送信は、受信期間毎に行われる。

前処理演算部５２は、受信回路４２から受け取った時系列データＤ１１に対して、後述する補償演算ための前処理演算を行う。以下、前処理演算の内容について説明する。

前処理演算部５２は、前処理演算として、受信回路４２から受け取った時系列データＤ１１から、コイル１１，１２毎に、検出体７００の距離の影響を受けやすい成分と、検出体７００の材質の影響を受けやすい成分とを抽出する。

近接センサ１で用いるパルス励磁方式においては、コイル１１および１２に近接する金属の影響が、パルス印加後のコイルの電圧波形の振幅や過渡変化の時定数に表れる。それゆえ、前処理演算部５２は、時系列データＤ１１から積算データおよび時定数データへの変換を行う。

なお、「積算データ」とは、受信期間である期間Ｔ２に時系列に得られたデータの値を足し合わせたものであり、図１１のコイル１１のデータであれば、Ｖａ（１）からＶａ（Ｎ）までのデータの値を足し合わせて求める。また、「時定数データ」とは、期間Ｔ２に時系列に得られたデータの値をＲＬ回路の過渡応答曲線に近似した際の時定数の値、もしくはそれを簡易に近似して求める方法として低次の曲線に近似した際の係数の値である。

詳しくは、前処理演算部５２は、時系列データＤ１１に基づき、コイル１１に関するデータとして、積算データＸａと時定数データＹａとを算出する。さらに、前処理演算部５２は、時系列データＤ１１に基づき、コイル１２に関するデータとして、積算データＸｂと時定数データＹｂとを算出する。

前処理演算部５２は、積算データＸａ，Ｘｂおよび時定数データＹａ，Ｙｂを補償演算部５３に送る。ただしこのうち、下記に説明する補償演算について用いないデータについては、補償演算部５３に送る必要はない。

（ｂ３．補償演算）
補償演算部５３は、積算データＸａ，Ｘｂと時定数データＹｂとを用いた補償演算を行う。補償演算部５３は、検出体７００の接近により得られる信号から取付金具８００の影響を差し引いた信号量を得る。つまり、補償演算部５３は、検出体７００に起因する成分（第２の成分，検出体７００の影響に応じた信号）から、取付金具８００に起因する成分（第１の成分，取付金具８００の影響に応じた信号）を差し引く。本実施の形態では、積算データＸａが検出体７００に起因する成分であり、積算データＸｂおよび時定数データＹｂが取付金具８００に起因する成分に該当する。このような補償演算を行う理由と補償演算の詳細とについて、以下、説明する。

前処理演算によって得られた各コイル１１，１２の積算データＸａ，Ｘｂおよび時定数データＹａ，Ｙｂは、検出体７００の材質によって異なる渦電流の過渡状態と、取付金具８００の材質によって異なる渦電流の過渡状態と、検出体７００と各コイル１１，１２との位置関係と、取付金具８００と各コイル１１，１２との位置関係とを、複合的に表す物理量となっている。

コイル１１の積算データＸａは、コイル１１による磁界の開磁方向により、検出体７００に流れる渦電流の総量、すなわち検出体７００とコイル１１との距離との相関が高い特性を示す。しかしながら、積算データＸａは、同時に、取付金具８００の位置、導電率、および透磁率との相関も持つ。このため、取付金具８００の有無および／または位置が不明な状況では、積算データＸａのみから、検出体７００の位置を特定することはできない。

コイル１２の積算データＸｂは、コイル１２による磁界の開磁方向により、取付金具８００に流れる渦電流の総量、すなわち取付金具８００の位置と導電率と透磁率との相関が高い特性を示す。

コイル１２の時定数データＹｂは、取付金具８００に流れる渦電流の時定数、すなわち取付金具８００の導電率および透磁率との相関が高い特性を示す。

これらの事象を考慮して、補償演算部５３は、まず、コイル１２の時定数データＹｂから算出される導電率および透磁率の影響度に応じて、コイル１２の積算データＸｂの値を調整する。さらに、補償演算部５３は、コイル１１の積算データＸａから調整後の値を差し引く。これにより、補償演算部５３は、積算データＸａから取付金具８００の影響分を差し引くことができる。

補償演算部５３が補償演算に用いる演算式は、各コイル１１．１２、検出体７００、取付金具８００の磁気的結合を表すものであり、各コイル１１，１２の巻き数、各コイル１１、１２と検出体７００との距離、各コイル１１、１２と取付金具８００との距離などがパラメータとなっている。このうち、近接センサ１の設計後に変動するパラメータは、検出体７００、取付金具８００などの位置および材質であるため、実験または電磁界解析によって代表的な条件で得られる受信信号を連続的な関数に近似することにより、必要な演算式を求めることができる。演算式の一例については、後述する。

図１３は、補償演算部５３において実行される処理の具体例を説明するための図である。図１３を参照して、補償演算部５３は、一例として以下の演算式（１）に、前処理演算部５２から取得した積算データＸａ，Ｘｂおよび時定数データＹｂを代入することによって、取付金具８００の影響を差し引いた信号量Ｚを得る。さらに、補償演算部５３は、信号量Ｚを後処理演算部５４に送る。

Ｚ＝Ｘａ−（Ｋ１×Ｘｂ^２＋Ｋ２×Ｙｂ^２＋Ｋ３×Ｘｂ×Ｙｂ＋Ｋ４×Ｘｂ＋Ｋ５×Ｙｂ＋Ｋ６） … （１）
上記の演算式（１）は、図１４に基づいて説明する決め方に基づいて、近似曲面の生成を２次の関数の曲面で行った場合の式である。近似曲面の関数形状はこの形である必要はなく、必要に応じて、より高次の形または指数の形等を用いるのがよい。

図１４は、補償演算に用いる演算式の設計方法例を説明するための図である。図１４を参照して、三次元プロットは、図１３に基づいて説明した前処理演算後のデータＸａ，Ｘｂ，Ｙｂの各値を、検出体７００の近接センサ１への接近距離と取付金具８００の位置および材質とを条件パラメータとして変化させることにより得られたものである。

破線の丸で囲んだ２つのデータプロットは、取付金具８００がなく、かつ検出体７００の距離のみが異なる条件で取得したデータである。丸印のプロットは、検出体７００との距離が６ｍｍの場合のデータであり、三角印のプロットは、検出体７００との距離が８ｍｍの場合のデータである。

鉄製の取付金具８００の本体部５への設置位置を変えていった場合、三次元データ空間上で方向性をもってプロット位置が変化する。また、アルミ製の取付金具８００の本体部５への設置位置を変えていった場合も、三次元データ空間上で方向性をもってプロット位置が変化する。

矢印Ｌ１６は、検出体７００との距離が６ｍｍであって、かつ鉄製の取付金具８００の設置位置と変化させた場合におけるデータプロットの変化方向を表している。矢印Ｌ２６は、検出体７００との距離が６ｍｍであって、かつアルミ製の取付金具８００の設置位置と変化させた場合におけるデータプロットの変化方向を表している。

矢印Ｌ１８は、検出体７００との距離が８ｍｍであって、かつ鉄製の取付金具８００の設置位置と変化させた場合におけるデータプロットの変化方向を表している。矢印Ｌ２８は、検出体７００との距離が８ｍｍであって、かつアルミ製の取付金具８００の設置位置と変化させた場合におけるデータプロットの変化方向を表している。

このような変化方向は、図１３に基づいて説明したように、コイル１２の積算データＸｂおよび時定数データＹｂが取付金具８００の位置および材質を反映していることを表している。この変化方向に沿った曲面で検出体７００との距離が異なるデータ群を分離することで、近接センサ１は、検出体７００の距離を判別できる。

すなわち、取付金具８００の位置に関係なく検出体７００の接近距離を判別するためには、検出体７００との距離を変えて取得したデータに基づき、コイル１２の積算データＸｂおよび時定数データＹｂをどの割合でコイル１１の積算データＸａに作用せればよいかを、三次元上でデータ点を結ぶ近似曲面の式として求めればよい。

同様の効果を得るためには、用いるデータは必ずしもコイル１１の積算データＸａとコイル１２の積算データＸｂおよび時定数データＹｂとである必要はなく、複数のコイルで得られる、検出体７００と取付金具８００との影響をそれぞれ異なった割合で表す信号を用いればよい。

例として、補償演算の式の形を演算式（１）のようにする場合、一定の検出距離で得たデータ群を使って、たとえば重み付き最小２乗法などで回帰曲面を求め、演算式（１）の各係数Ｋ１〜Ｋ６を決定する。

（ｂ４．後処理演算）
再び、図１２を参照して、後処理演算部５４は、検出体７００の有無を判定する場合、補償演算部５３から取得した信号量Ｚを用いて、２値化判別処理を実行する。後処理演算部５４は、出力部６０に対して、検出体７００の有無を表した信号を出力する。

また、後処理演算部５４は、検出体７００との距離を算出する場合、信号量Ｚを距離に変換する。後処理演算部５４は、出力部６０に対して、検出体７００との距離を表した信号を出力する。

（ｂ５．利点）
検出したくない方向に取り付けられる金属（取付金具８００）の影響を低減しつつ、検出したい方向に近接した金属（検出体７００）に対してのみ、近接センサ１は反応する。つまり、近接センサ１の検出感度を敏感な状態に設定しても取付金具８００の影響を受けずに検出ができるようになる。それゆえ、近接センサ１の検出距離を長くすることが可能となる。

また、近接センサ１と検出対象（検出体７００）との間の距離を従来よりも遠く設定できるようになったため、装置設計の自由度と、近接センサ１への物（検出体７００）の衝突に対する安全度とが高くなる。

（ｂ６．平均化）
近接センサ１で得たいＳ／Ｎ（signal/noise）比に合わせて、受信信号に平均化処理をかける必要がある場合がある。この場合は、励磁および受信を複数回行ったデータを用い、受信回路４２による受信データの受信段階、前処理演算の段階、および補償演算の段階のうちのいずれかの段階で平均化処理を行えばよい。

＜Ｃ．制御構造＞
図１５は、近接センサ１において実行される一部の処理の流れを表したフロー図である。図１５を参照して、ステップＳ１において、制御部５０からの制御命令に基づき、励磁回路４１１は、励磁電流をコイル１１，１２に一定時間供給し、その後、励磁電流の供給を遮断する。ステップＳ２において、制御部５０は、コイル１１，１２によって得られる時系列データＤ１１を受信回路４２から取得する。

ステップＳ３において、制御部５０は、時系列データＤ１１に基づき、積算データＸａ，Ｘｂを算出する。ステップＳ４において、制御部５０は、時系列データＤ１１に基づき、時定数データＹａ，Ｙｂを算出する。なお、積算データＸａと積算データＸｂと時定数データＹａと時定数データＹｂとの生成順序は、ステップＳ３およびステップＳ４に示したものに限定されるものではない。

ステップＳ５において、制御部５０は、積算データＸａと積算データＸｂと時定数データＹｂとを用いて、積算データＸａを補償する。制御部５０は、たとえば上述した演算式（１）を用いて信号量Ｚを算出する。ステップＳ６において、制御部５０は、上述した後処理演算を行う。

＜Ｄ．まとめ＞
（１）近接センサ１は、取付金具８００によって支持部材９００に取り付けられた状態で、磁界を利用して金属製の検出体の有無または位置を検知する。近接センサ１は、磁界を発生させるための複数のコイル１１，１２と、各コイル１１，１２に電流を供給する送信回路４１と、電流の供給によってコイル１１，１２の両端に生じる電圧または前記検出コイルに流れる電流を、コイル１１，１２毎に検出する受信回路４２と、受信回路４２によって検出された結果を用いて検出体７００の有無または位置を検知する制御部５０と、制御部によって検知された結果を出力する出力部６０とを備える。

制御部５０は、受信回路４２によって検出された結果（コイル１１，１２毎の検出結果）から、取付金具８００に起因する第１の成分（具体的には、積算データＸｂ，時定数データＹｂ）と、検出体７００に起因する第２の成分（具体的には、積算データＸａ）とを抽出する。制御部５０は、第１の成分を用いて前記第２の成分を補償する。制御部５０は、補償後の第２の成分に基づき、検出体７００の有無または位置を検知する。

上記の構成によれば、取付金具８００の影響を低減することが可能となる。また、これにより、近接センサ１の検出距離を長くすることができる。

（２）制御部５０は、第２の成分から第１の成分を差し引くことによって、第２の成分を補償する。

（３）受信回路４２は、電圧または電流をコイル１１，１２毎に個別に検出する。特に、受信回路４２は、図８に示したように、各コイル１１，１２に対応した複数の処理系統４８，４９を有する。各処理系統４８，４９は、処理系統に対応するコイルによる電圧または電流を取得する。

個別（独立）に取得せず電気的に合成する場合には、補償演算の手段が限定されるのに対して、個別に取得する場合にはデジタル信号処理上で複雑な演算ができる。それゆえ、個別でない場合に比べて、補償の精度を上げることができる。

（４）送信回路４１は、各コイル１１，１２にパルス状の励磁電流を周期的に供給するための励磁回路４１１である。上記第２の成分は、コイル１１の両端に生じる前記過渡電流の積算値（積算データＸａ）である。上記第１の成分は、コイル１２の両端に生じる過渡電流の積算値（積算データＸｂ）と、コイル１２の両端に生じる過渡電流の時定数情報（時定数データＹｂ）とに基づく値である。

コイル１２の両端に生じる過渡電流の時定数情報（時定数データＹｂ）を利用することによって、取付金具８００の材質の影響を取得できる。それゆえ、補償の精度を上げることができる。

＜Ｅ．変形例＞
（１）図１６は、検出部３０と送信回路４１Ａとの具体的な他の構成例を表した図である。図１６を参照して、送信回路４１Ａは、励磁回路４１１，４１１Ａを備える。励磁回路４１１は、コイル１１に接続されており、コイル１２には接続されていない。励磁回路４１１Ａは、コイル１２に接続されている。

励磁回路４１１は、ＣＰＵ５９からの制御信号に基づき励磁電流を発生する。この励磁電流Ｉ１は、コイル１１に流れる。励磁回路４１１Ａは、ＣＰＵ５９からの制御信号に基づき励磁電流を発生する。この励磁電流Ｉ２は、コイル１２に流れる。

このように、コイル１１，１２にそれぞれ独立した励磁電流を流す送信回路４１Ａ（励磁回路）を持つ構成であっても、図７の場合と同様の効果を得られる。

また、コイル１１とコイル１２とに共通の励磁回路を有し、切換処理によって各コイル１１，１２に独立な励磁電流を流すように、近接センサ１を構成してもよい。

（２）図１７は、検出部３０と受信回路４２との具体的な他の構成例を表した図である。図１７を参照して、受信回路４２は、マルチプレクサ回路４２９と、フィルタ回路４２１と、増幅回路４２３と、Ａ／Ｄ変換回路４２５とを備える。この場合の受信回路４２は、図８に示した構成とは異なり、フィルタ回路４２２と増幅回路４２４とＡ／Ｄ変換回路４２６とを備えている必要はない。

コイル１１の両端およびコイル１２の両端は、マルチプレクサ回路４２９に接続されている。マルチプレクサ回路４２９には、ＣＰＵ５９から制御信号が入力される。制御信号に基づいてマルチプレクサ回路４２９が入力信号の選択処理を行なうことにより、受信回路４２は、コイル１１とコイル１２とで共通の受信回路（フィルタ回路４２１、増幅回路４２３、Ａ／Ｄ変換回路４２５）で、各コイル１１，１２の両端に発生した誘起電圧を表した電圧信号を独立して処理することができる。つまり、受信回路４２は、各コイル１１，１２による電圧または電流を、時分割方式によって互いに異なるタイミングで検出する。

これにより、受信回路４２は、両電圧信号を個別にＣＰＵ５９に出力することができる。なお、フィルタ回路と増幅回路とをコイル１１，１２毎に有し、かつＡ／Ｄ変換回路を共有するように、受信回路４２を構成してもよい。

（３）図１８は、近接センサ１Ａの断面図である。図１８を参照して、近接センサ１Ａは、コイル１２の外周に沿って、磁性を持つシート状の材料１９が配置されている。

上述したように、コイル１２の開磁路を検出体７００の接近方向に限定する構造がより好ましい。その上で、径方向の配置余裕やコイルの外径の大きさを確保するために、磁性を持つシート状の材料をコイル１２の外側を囲むように配置するのが好ましい。特に、材料１９として、厚みを抑えて高透磁率を確保できるパーマロイやアモルファス合金を用いた磁性薄板や磁性シートを用いることが、より好ましい。

このような構成によれば、取付金具８００の影響の表れ方を限定でき、補償の精度を上げることができる。なお、制御部５０における処理は近接センサ１と同じであるため、ここでは繰り返し説明しない。

（４）図１９は、近接センサ１Ｂの断面図である。図１９を参照して、近接センサ１Ｂは、フィライトコア１５の代わりに、フィライトコア１５Ｂを有する。フィライトコア１５Ｂは、フィライトコア１５とは異なり、コイル１２の外周部を覆っていない。このような構成であっても、取付金具８００の影響を低減することが可能となる。

（５）図２０は、近接センサ１Ｃの断面図である。図２０を参照して、近接センサ１Ｃは、フィライトコア１５の代わりに、フィライトコア１５Ｃを有する。

フィライトコア１５Ｃは、コイル１１の内周側に位置している。フィライトコア１５Ｃは、フィライトコア１５とは異なり、コイル１１の外周部を覆っていない。また、フィライトコア１５Ｃは、コイル１２の内周部および外周部を覆っていない。

このような構成であっても、取付金具８００の影響を低減することが可能となる。
（６）図２１は、近接センサ１Ｄの断面図である。図２１を参照して、近接センサ１Ｄは、コイル１１，１２の代わりに、同じ直径のコイル１１Ｄとコイル１２Ｄとを有する。近接センサ１Ｄは、フィライトコア１５の代わりに、フィライトコア１５Ｄを有する。

コイル１１Ｄとコイル１２Ｄとは、中心軸Ｍに沿ってずれた位置に配置されている。フィライトコア１５Ｄは、コイル１１Ｄの内周側とコイル１２Ｄの内周側とに位置している。フィライトコア１５Ｄは、コイル１１Ｄの外周部とコイル１２Ｄの外周部とを覆っていない。

このような構成であっても、取付金具８００の影響を低減することが可能となる。なお、コイル１１Ｄの直径とコイル１２Ｄの直径とは、互いに異なっていてもよい。これは、後述する近接センサ１Ｅ，１Ｆにおいても同様である。

（７）図２２は、近接センサ１Ｅの断面図である。図２２を参照して、近接センサ１Ｅは、フィライトコア１５Ｅを有する。近接センサ１Ｅは、フィライトコアの形状が、近接センサ１Ｄ（図２１）とは異なる。フィライトコア１５Ｅでは、コイル１１Ｄとコイル１２Ｄとの間にもコア部が形成されている。

このような構成であっても、取付金具８００の影響を低減することが可能となる。
（８）図２３は、近接センサ１Ｆの断面図である。図２３を参照して、近接センサ１Ｆは、フィライトコア１５Ｆを有する。近接センサ１Ｆは、フィライトコアの形状が、近接センサ１Ｅ（図２２）とは異なる。フィライトコア１５Ｆは、フィライトコア１５Ｅとは異なり、コイル１１Ｄの外周部を覆っている。このような構成であっても、取付金具８００の影響を低減することが可能となる。

（９）上記においては、２つのコイル１１，１２を備える構成を例に挙げて説明した、コイルの数は２つに限定されるものではない。たとえば、コイルは、３つ以上であってもよい。
［実施の形態２］
本実施の形態では、磁界を利用して金属製の検出体の有無または位置を検知する近接センサ（誘導式近接センサ）のうち、発振方式の近接センサについて説明する。

図２４は、本実施の形態に係る近接センサ２のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図２４を参照して、近接センサ２は、検出部３０と、送受信回路４０Ａと、制御部５０と、出力部６０とを備える。

検出部３０は、コイル１１，１２により構成される。制御部５０は、ＣＰＵ５９等のプロセッサで構成される。出力部６０は、出力回路６１により構成される。

送受信回路４０Ａは、発振回路４３，４４と、整流回路４５と、Ａ／Ｄ変換回路４６とにより構成される。発振回路４３は、ＣＰＵ５９の制御によって、コイル１１に発振電流を流す。発振回路４４は、ＣＰＵ５９の制御によって、コイル１２に発振電流を流す。

発振電流によってコイル１１，１２に高周波磁界が発生する。この高周波磁界に検出体７００が近づくと電磁誘導により、検出体７００に渦電流が流れる。この渦電流で、コイル１１，１２のインピーダンスが変化し、発振が停止する。コイルのインピーダンス変化に応じた電圧信号は整流回路４５で整流され、その後、Ａ／Ｄ変換回路４６でデジタル信号に変換される。ＣＰＵ５９は、当該デジタル信号に基づき、検出体７００の有無を判定する。

近接センサ２の制御部５０は、実施の形態１と同様に、（i）コイル１１，１２毎の検出結果から、取付金具８００に起因する第１の成分と、検出体７００に起因する第２の成分とを抽出し、（ii）第１の成分を用いて第２の成分の補償を行い、（iii）補償後の第２の成分に基づき、検出体７００の有無または位置を検知する。

このため、発振方式の近接センサ２を用いる構成であっても、近接センサ１と同様に、取付金具８００の影響を低減することが可能となる。

なお、近接センサ２は、発振方式であるため、振幅が検出体７００の距離の影響を受けやすい成分に該当し、位相または周波数が検出体７００の材質の影響を受けやすい成分に該当する。
［実施の形態３］
本実施の形態では、時系列データＤ１１（図１１参照）の他の利用方法について説明する。詳しくは、近接センサ１の制御部に、近接センサ１の生産時の性能を調整するための機能を持たせる構成について説明する。なお、この構成は、実施の形態２の近接センサ２にも適用できる。

図２５は、本実施の形態に係る制御部５０Ａの機能的構成を表した図である。図２５を参照して、制御部５０Ａは、時系列データ取得部５１と、前処理演算部５２と、補償演算部５３と、後処理演算部５４と、差分算出部５５とを備えている。制御部５０Ａは、差分算出部５５をさらに備える点において、実施の形態１の制御部５０（図１２参照）とは異なる。

近接センサ１の個体毎に検出距離の調整を行う際、近接センサ１の取得データを、制御部５０に持つ理想の閾値曲面の対応する値（理想値Ｒ）と比較し、その差分をコイル性能の個体ばらつき補正値とする。当該差分は、差分算出部５５によって算出される。

制御部５０は、データ空間の形状が理想値と同じになるように補正値を決定することにより、コイル１１，１２のインダクタンス値だけでなく各部品の組み付け位置のばらつきを総合して補正できる。さらに、複数の距離調整点で比較することにより、補正精度を高めることができる。

通常、近接センサ１で複数のコイルを搭載する場合には、コイル間の組み付け位置の調整が非常にシビアになる。それゆえ、生産性に悪影響を及ぼす。しかしながら、本実施の形態に係る調整方法によれば、組み付け位置の位置精度の許容幅が大きくなり、その結果、近接センサ１の生産性を向上させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，２ 近接センサ、５ 本体部、５ａ 検出面、５ｂ 筐体、６ リード線、７，８ ナット、９ 座金、１１，１１Ｄ，１２，１２Ｄ コイル、１５，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆ フィライトコア、１７ 電子回路、１９ 材料、３０ 検出部、４０，４０Ａ 送受信回路、４１ 送信回路、４２ 受信回路、４３，４４ 発振回路、４５ 整流回路、４６，４２５，４２６ Ａ／Ｄ変換回路、４８，４９ 処理系統、５０，５０Ａ 制御部、５１ 時系列データ取得部、５２ 前処理演算部、５３ 補償演算部、５４ 後処理演算部、５５ 差分算出部、５９ ＣＰＵ、６０ 出力部、６１ 出力回路、４１１，４１１Ａ 励磁回路、４２１，４２２ フィルタ回路、４２３，４２４ 増幅回路、４２９ マルチプレクサ回路、７００ 検出体、８００ 取付金具、８０１ 上部筐体、８０２ 下部筐体、９００ 支持部材、Ｄ１１ 時系列データ、Ｍ 中心軸、Ｍ１，Ｍ２ 高周波磁界、Ｘａ，Ｘｂ 積算データ、Ｙａ，Ｙｂ 時定数データ。

Claims (6)

1. 取付金具によって支持部材に取り付けられた状態で、磁界を利用して検出体の有無または位置を検知する近接センサであって、
   前記磁界を発生させるための複数の検出コイルと、
   各前記検出コイルに電流を供給する送信回路と、
   前記電流の供給によって前記検出コイルの両端に生じる電圧または前記検出コイルに流れる電流を、前記検出コイル毎に検出する受信回路と、
   前記受信回路によって検出された結果を用いて前記検出体の有無または位置を検知する制御部と、
   前記制御部によって検知された結果を出力する出力部とを備え、
   前記制御部は、
   前記受信回路によって検出された結果から、前記取付金具に起因する第１の成分と、前記検出体に起因する第２の成分とを抽出し、
   前記第１の成分を用いて前記第２の成分を補償し、
   前記補償後の第２の成分に基づき、前記検出体の有無または位置を検知し、
   前記送信回路は、各前記検出コイルにパルス状の励磁電流を周期的に供給するための励磁回路であり、
   前記近接センサは、前記複数の検出コイルとして、第１の検出コイルと、第２の検出コイルとを含み、
   前記第２の成分は、前記第１の検出コイルの両端に生じる過渡電流の電圧値の積算値であり、
   前記第１の成分は、前記第２の検出コイルの両端に生じる過渡電流の電圧値の積算値と、前記第２の検出コイルの両端に生じる過渡電流の時定数情報とに基づく値であり、
   前記制御部は、前記時定数情報に基づき、前記第２の検出コイルの両端に生じる過渡電流の電圧値の積算値を調整し、かつ、前記第１の検出コイルの両端に生じる過渡電流の電圧値の積算値から前記調整後の積算値を差し引くことにより、前記第２の成分を補償する、近接センサ。
2. 前記受信回路は、前記電圧または前記電流を前記検出コイル毎に個別に検出する、請求項１に記載の近接センサ。
3. 前記受信回路は、各前記検出コイルによる前記電圧または前記電流を、時分割方式によって互いに異なるタイミングで検出する、請求項２に記載の近接センサ。
4. 前記受信回路は、各前記検出コイルに対応した複数の処理系統を有し、
   各前記処理系統は、前記処理系統に対応する前記検出コイルによる前記電圧または前記電流を取得する、請求項２に記載の近接センサ。
5. 前記第１の検出コイルと、前記第２の検出コイルとは、環状コイルであって、
   前記第１の検出コイルは、前記第２の検出コイルの内側領域に設置されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の近接センサ。
6. 磁界を利用して検出体の有無または位置を検知する近接センサにおいて実行される方法であって、
   前記磁界を発生させるための複数の検出コイルに電流を供給するステップと、
   前記電流の供給によって前記検出コイルの両端に生じる電圧または前記検出コイルに流れる電流を、前記検出コイル毎に検出するステップと、
   前記検出するステップによって検出された結果を用いて前記検出体の有無または位置を検知するステップと、
   前記検知するステップによって検知された結果を出力するステップとを備え、
   前記検出体の有無または位置を検知するステップは、
   前記検出するステップによって検出された結果から、前記近接センサを支持部材に取り付けるための取付金具に起因する第１の成分と、前記検出体に起因する第２の成分とを抽出するステップと、
   前記第１の成分を用いて前記第２の成分を補償するステップと、
   前記補償後の第２の成分に基づき、前記検出体の有無または位置を検知するステップとを含み、
   前記複数の検出コイルに電流を供給するステップでは、各前記検出コイルにパルス状の励磁電流を周期的に供給し、
   前記第２の成分は、前記複数の検出コイルのうちの第１の検出コイルの両端に生じる過渡電流の電圧値の積算値であり、
   前記第１の成分は、前記複数の検出コイルのうちの第２の検出コイルの両端に生じる過渡電流の電圧値の積算値と、前記第２の検出コイルの両端に生じる過渡電流の時定数情報とに基づく値であり、
   前記第２の成分を補償するステップでは、前記時定数情報に基づき、前記第２の検出コイルの両端に生じる過渡電流の電圧値の積算値を調整し、かつ、前記第１の検出コイルの両端に生じる過渡電流の電圧値の積算値から前記調整後の積算値を差し引くことにより、前記第２の成分を補償する、方法。

Images