JP2008060690A - 近接センサ及び近接検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属の近接に伴う振動波の振幅変化を簡単な回路構成で精度良く測定する。
【解決手段】金属の近接を検出する近接センサ１であって、検出コイルＬにコンデンサＣを接続してなる共振回路２と、該共振回路２に対して駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、該駆動信号出力手段の信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を測定する振幅測定手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属の近接を検出する近接スイッチ、変位センサ、距離センサ、材質センサ、コインセンサ、金属球センサなどの近接センサ及び近接検出方法に関し、特に、価格性能比を飛躍的に高めることができる近接センサ及び近接検出方法に関する。

金属の近接を検出する近接センサが広く普及している（例えば、特許文献１参照）。この種の近接センサとしては、非接触型マイクロスイッチとして使用される近接スイッチだけでなく、金属の変位を検出する変位センサ、金属との近接距離を検出する距離センサ、金属の材質を判定する材質センサ、コイン（硬貨、遊技メダルなど）の通過を検出するコインセンサ、金属球（パチンコ用遊技球など）の貫通を検出する金属球センサなどが含まれる。

特許文献１に記載される近接センサは、検出コイルを含む高周波発振回路を備えた高周波発振型近接スイッチであり、金属が検出コイルに近接したとき、高周波発振回路の発振振幅や発振周波数が変化することを利用し、金属の近接や材質を判定する。すなわち、高周波発振回路の発振振幅や発振周波数は、金属との近接距離に応じて変化するだけでなく、金属の材質（透磁率、導電率などの違い）に応じて変化するのであり、例えば、振幅測定方式の近接スイッチでは、磁性金属（鉄など）の近接を良好に検出でき、周波数測定方式の近接スイッチでは、非磁性金属（アルミなど）の近接を良好に検出できる。また、両方式を兼ね備えた近接スイッチでは、磁性金属及び非磁性金属の近接を良好に検出でき、かつ、金属の材質判定も良好に行うことができる。
特許第２５５０６２１号公報

しかしながら、従来における振幅測定方式の近接センサは、金属の近接に応じた振幅変化を測定するにあたり、高周波発振を継続しつつ、その僅かな振幅の変化を測定しているため、回路構成が複雑になり、コスト高になるという問題がある。また、僅かな振幅変化をデジタル回路で精度良く検出することも可能ではあるが、この場合には、分解能の高いＡ／Ｄ変換器が必要になるため、却ってコスト高となる可能性がある。

上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作された本発明の近接センサは、金属の近接を検出する近接センサであって、検出コイルにコンデンサを接続してなる共振回路と、該共振回路に対して駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、該駆動信号出力手段の信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を測定する振幅測定手段とを備えることを特徴とする。このような近接センサによれば、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を簡単な回路構成で精度良く測定することが可能になる。すなわち、共振回路から減衰状に出力される自由振動波にあっては、金属の近接に伴う振動波の振幅変化が明確に現れるだけでなく、減衰しても振幅の変化量がある程度維持されるので、全体的な振幅が小さくなる減衰側でほど大きな変化率として捉えることができ、その結果、安価な回路でも振幅変化を高精度に測定することができる。
また、前記振幅測定手段は、前記駆動信号出力手段の信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント手段と、該自由振動波カウント手段が所定数の自由振動波をカウントした後、自由振動波の振幅測定値を取り込む測定値取り込み手段とを備えることを特徴とする。このような近接センサによれば、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を簡単な回路構成で精度良く測定することができる。
また、前記共振回路は、検出コイルにコンデンサを直列に接続してなる直列共振回路であることを特徴とする。このような近接センサによれば、直列共振回路の作用によって、最大でソース電圧のＱ倍（Ｑ：共振回路の良好度）の電圧を検出コイルに印加できるので、共振回路から振幅の大きい自由振動波を出力することができる。これにより、自由振動波カウント数を多くし、測定精度を更に高めることができるだけでなく、ノイズにも強いものとできる。
また、前記駆動信号出力手段は、複数の駆動パルス信号により前記共振回路を強制振動させた後、駆動信号出力を停止することを特徴とする。このような近接センサによれば、単発の駆動パルス信号で共振回路を強制振動させる場合に比べ、強制振動波の振幅を大きくできる。特に、強制振動波の振幅が最大になるように数発の駆動パルス信号を出力すれば、駆動信号出力停止後に共振回路から出力される自由振動波の振幅をより大きくし、測定精度を更に高めることが可能になる。
また、本発明の近接検出方法は、金属の近接を検出する近接検出方法であって、検出コイルにコンデンサを接続してなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を測定することを特徴とする。このような近接検出方法によれば、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を簡単な回路構成で精度良く測定することが可能になる。すなわち、共振回路から減衰状に出力される自由振動波にあっては、金属の近接に伴う振動波の振幅変化が明確に現れるだけでなく、減衰しても振幅の変化量が維持されるので、全体的な振幅が小さくなる減衰側でほど大きな変化率として捉えることができ、その結果、安価な回路でも振幅変化を高精度に測定することができる。
また、前記共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、所定数の自由振動波をカウントした後、自由振動波の振幅測定値を取り込むことを特徴とする。このような近接検出方法によれば、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を簡単な回路構成で精度良く測定することができる。
また、前記共振回路は、検出コイルにコンデンサを直列に接続してなる直列共振回路であることを特徴とする。このような近接検出方法によれば、自由振動波カウント数を多くし、測定精度を更に高めることができるだけでなく、ノイズにも強いものとできる。
また、複数の駆動パルス信号により前記共振回路を強制振動させた後、駆動信号出力を停止することを特徴とする。このような近接検出方法によれば、単発の駆動パルス信号で共振回路を強制振動させる場合に比べ、強制振動波の振幅を大きくできる。特に、強制振動波の振幅が最大になるように数発の駆動パルス信号を出力すれば、駆動信号出力停止後に共振回路から出力される自由振動波の振幅をより大きくし、測定精度を更に高めることが可能になる。

以上のように本発明によれば、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を簡単な回路構成で精度良く測定することが可能になる。すなわち、共振回路から減衰状に出力される自由振動波にあっては、金属の近接に伴う振動波の振幅変化が明確に現れるだけでなく、減衰しても振幅の変化量が維持されるので、全体的な振幅が小さくなる減衰側でほど大きな変化率として捉えることができ、その結果、安価な回路でも振幅変化を高精度に測定することができる。

次に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１において、１は金属の近接を検出する近接センサであって、該近接センサ１は、共振回路２、１チップマイコン３及びピークホールド４を備えて構成されている。共振回路２は、検出コイルＬにコンデンサＣを接続して構成され、１チップマイコン３内に構成される駆動信号出力手段によって駆動される。１チップマイコン３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、比較器、Ａ／Ｄ変換器などが内蔵されており、所定の処理手順（プログラム）をＲＯＭに書き込むことにより、駆動信号出力手段や振幅測定手段として動作する。

振幅測定手段は、駆動信号出力手段の信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を測定するように構成されている。このようにすると、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を簡単な回路構成で精度良く測定することが可能になる。すなわち、共振回路２から減衰状に出力される自由振動波にあっては、金属の近接に伴う振動波の振幅変化が明確に現れるだけでなく、減衰しても振幅の変化量が維持されるので、全体的な振幅が小さくなる減衰側でほど大きな変化率として捉えることができ、その結果、安価な回路でも振幅変化を高精度に測定することができる。

本実施形態の振幅測定手段は、駆動信号出力手段の信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント手段と、該自由振動波カウント手段が所定数の自由振動波をカウントした後、自由振動波の振幅測定値を取り込む測定値取り込み手段とを備えて構成されている。具体的には、所定数の自由振動波をカウントした後、ピークホールド４をリセットし、その所定時間後に、ピークホールド４がホールドしたピーク値（振幅測定値）をＡ／Ｄ変換器を介して１チップマイコン３内に取り込む。自由振動波カウント数は、要求される測定精度やコイルの性能（価格）に応じて任意に設定することができる。例えば、価格を優先する場合には、自由振動波の減衰が大きい安価なコイルを用い、自由振動波カウント数を２〜５程度に設定し、また、精度を優先する場合には、自由振動波の減衰が小さい高価なコイルを用い、自由振動波カウント数を５以上に設定するとよい。

共振回路２は、検出コイルＬにコンデンサＣを直列に接続した直列共振回路であることが好ましい。このようにすると、直列共振回路の作用によって、最大でソース電圧（例えば５Ｖ）のＱ倍（例えば８倍）の電圧を検出コイルＬに印加できるので、共振回路２から振幅の大きい自由振動波を出力することができる。これにより、自由振動波カウント数を多くし、測定精度を更に高めることができるだけでなく、ノイズにも強いものとできる。しかも、振幅の大きい自由振動波は、増幅器を介さずに１チップマイコン３に直接入力できるので、回路構成がよりシンプルになり、更なるコストダウンが可能になる。

なお、検出コイルＬに印加される最大電圧Ｖ_ＬＭＡＸは、以下に示す式で求めることができる。ただし、ω_０は共振角周波数、Ｌは検出コイルＬのインダクタンス、Ｒは検出コイルＬの抵抗、ＣはコンデンサＣのキャパシタンス、Ｖ_Ｓはソース電圧、Ｑは共振回路の良好度である。

本実施形態の駆動信号出力手段は、駆動パルス信号によって共振回路２を強制振動させるにあたり、複数の駆動パルス信号により共振回路２を強制振動させた後、駆動信号出力を停止する。このようにすると、単発の駆動パルス信号で共振回路２を強制振動させる場合に比べ、強制振動波の振幅を大きくできる。特に、強制振動波の振幅が最大になるように所定の共振周波数で数発（例えば６発）の駆動パルス信号を出力すれば、駆動信号出力停止後に共振回路２から出力される自由振動波の振幅をより大きくし、測定精度を更に高めることが可能になる。
なお、共振回路２を強制振動させる共振周波数ｆは、以下に示す式で求めることができる。

次に、１チップマイコン３内の処理手順について、図２を参照して説明する。この図に示すように、１チップマイコン３は、まず、比較器のＲＥＦ電圧を設定した後（Ｓ１）、駆動信号出力処理（Ｓ２：駆動信号出力手段）と、振幅測定処理（Ｓ３〜Ｓ８：振幅測定手段）とを繰り返し実行する。

駆動信号出力処理は、強制振動波の振幅が最大になるように、共振回路２に対して所定の共振周波数で数発の駆動パルス信号を出力する（Ｓ２）。振幅測定手段は、駆動信号出力停止後、自由振動波カウンタをクリアし（Ｓ３）、共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、自由振動波カウンタが所定数になったら（Ｓ４：自由振動波カウント手段）、ピークホールド４をリセットすると共に（Ｓ５）、所定時間（数ｍ秒）のウエイト後に（Ｓ６）、Ａ／Ｄ変換器を介してピークホールド値（振幅測定値）を読み込む（Ｓ７：測定値取り込み手段）。そして、読み込んだピークホールド値を所定の検出信号形式（例えば、近接距離信号）に変換して出力する（Ｓ８）。

次に、本実施形態に係る近接センサ１の動作について、図３〜図５を参照して説明する。図３は、駆動パルス信号波形（ａ点）及び共振回路の振動波形（ｂ点）を示す説明図である。この図に示すように、１チップマイコン３は、所定電圧（例えば５Ｖ）の駆動パルス信号を出力し、共振回路２を強制振動させる。このとき、本実施形態では、所定の共振周波数で数発（例えば６発）の駆動パルス信号を出力することにより、検出コイルＬに最大電圧（例えば４０Ｖ）を印加させる。そして、駆動パルス信号の出力を停止した後は、共振回路２から複数の自由振動波が減衰状に出力される。

図４は、十数個目の自由振動波を拡大した説明図、図５は、金属の近接に伴う自由振動波（作用説明用の簡易波形）の振幅変化を示す説明図である。これらの図に示すように、共振回路２から出力される自由振動波は、十数個目であっても検出に十分な振幅を保っている。ここで、検出コイルＬに金属が近接すると、検出コイルＬから発生する磁束が近接した金属に磁気的に干渉し、自由振動波の振幅が変化すると共に、位相ズレが生じる。金属の近接に伴う自由振動波の振幅変化は、強制振動波に比べて明確に現れるだけでなく、減衰しても振幅の変化量がある程度維持されるので、全体的な振幅が小さくなる減衰側でほど大きな変化率として捉えることができる。例えば、図５に示す簡易波形にもとづいて作用を説明すると、金属の近接に伴う自由振動波の振幅変化量（Ａ波とＢ波の振幅の差：ａ１＞ｂ１＞ｃ１＞ｄ１）は、自由振動波が減衰するほど小さくなるものの、減衰による全体的な振幅（ａ２＞ｂ２＞ｃ２＞ｄ２）の縮小率の方が大きいため、減衰側でほど大きな変化率（ｄ１／ｄ２＞ｃ１／ｃ２＞ｂ１／ｂ２＞ａ１／ａ２）として捉えることができる。

叙述の如く構成された本実施形態の近接センサ１は、検出コイルＬにコンデンサＣを接続してなる共振回路２と、該共振回路２に対して駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、該駆動信号出力手段の信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を測定する振幅測定手段とを備えるので、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を簡単な回路構成で精度良く測定することが可能になる。すなわち、共振回路２から減衰状に出力される自由振動波にあっては、金属の近接に伴う振動波の振幅変化が明確に現れるだけでなく、減衰しても振幅の変化量がある程度維持されるので、全体的な振幅が小さくなる減衰側でほど大きな変化率として捉えることができ、その結果、安価な回路でも振幅変化を高精度に測定することができる。

また、振幅測定手段は、駆動信号出力手段の信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント手段と、該自由振動波カウント手段が所定数の自由振動波をカウントした後、自由振動波の振幅測定値を取り込む測定値取り込み手段とを備えるので、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を簡単な回路構成で精度良く測定することができる。

また、共振回路２は、検出コイルＬにコンデンサＣを直列に接続してなる直列共振回路であるため、直列共振回路の作用によって、最大でソース電圧のＱ倍（Ｑ：共振回路の良好度）の電圧を検出コイルＬに印加し、共振回路２から振幅の大きい自由振動波を出力することができる。これにより、自由振動波カウント数を多くし、測定精度を更に高めることができるだけでなく、ノイズにも強いものとできる。

また、駆動信号出力手段は、複数の駆動パルス信号により共振回路２を強制振動させた後、駆動信号出力を停止するので、単発の駆動パルス信号で共振回路２を強制振動させる場合に比べ、強制振動波の振幅を大きくできる。特に、強制振動波の振幅が最大になるように数発の駆動パルス信号を出力すれば、駆動信号出力停止後に共振回路２から出力される自由振動波の振幅をより大きくし、測定精度を更に高めることが可能になる。

近接センサの構成を示すブロック図である。 １チップマイコンの処理手順を示すフローチャートである。 駆動パルス信号波形（ａ点）及び共振回路の振動波形（ｂ点）を示す説明図である。 十数個目の自由振動波を拡大した説明図である。 金属の近接に伴う自由振動波（作用説明用の簡易波形）の振幅変化を示す説明図である。

符号の説明

１ 近接センサ
２ 共振回路
３ １チップマイコン
４ ピークホールド
Ｃ コンデンサ
Ｌ 検出コイル

Claims (8)

1. 金属の近接を検出する近接センサであって、
   検出コイルにコンデンサを接続してなる共振回路と、
   該共振回路に対して駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
   該駆動信号出力手段の信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を測定する振幅測定手段と
   を備えることを特徴とする近接センサ。
2. 前記振幅測定手段は、
   前記駆動信号出力手段の信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント手段と、
   該自由振動波カウント手段が所定数の自由振動波をカウントした後、自由振動波の振幅測定値を取り込む測定値取り込み手段と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の近接センサ。
3. 前記共振回路は、検出コイルにコンデンサを直列に接続してなる直列共振回路であることを特徴とする請求項１又は２記載の近接センサ。
4. 前記駆動信号出力手段は、複数の駆動パルス信号により前記共振回路を強制振動させた後、駆動信号出力を停止することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の近接センサ。
5. 金属の近接を検出する近接検出方法であって、検出コイルにコンデンサを接続してなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の振幅変化を測定することを特徴とする近接検出方法。
6. 前記共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、所定数の自由振動波をカウントした後、自由振動波の振幅測定値を取り込むことを特徴とする請求項５記載の近接検出方法。
7. 前記共振回路は、検出コイルにコンデンサを直列に接続してなる直列共振回路であることを特徴とする請求項５又は６記載の近接検出方法。
8. 複数の駆動パルス信号により前記共振回路を強制振動させた後、駆動信号出力を停止することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の近接検出方法。

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