JP2008091147A - 近接センサ及び近接センサ用コア - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制しつつ検出可能距離の長距離化を実現することが可能な近接センサ及び近接センサ用コアを提供する。
【解決手段】コア６０には、強磁性金属薄膜８０が形成されている。この強磁性金属薄膜８０は、めっき又は蒸着加工により形成されている。より具体的には、コア６０のうち心棒部６１の外周面、外壁部６２の内面及び心棒部６１と外壁部６２との間の底面の全面に、強磁性金属薄膜８０が形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、近接センサ及び近接センサ用コアに関する。

従来より、コイルを有する発振回路、検波回路（整流回路）を主体として構成される渦電流式の近接スイッチが広く知られている。この渦電流式の近接スイッチでは、ヘッドに発振コイルが内蔵されており、この発振コイルに交流の励磁電流を流すことによって磁界が発生する。ヘッドを被検出体（金属体）に近接させると、コイルで発生した磁界が金属体に鎖交するため当該金属体に渦電流（誘導電流）が流れる。この渦電流により、被検出体では電力損失が生ずるが、これは発振コイル側のエネルギーが誘導現象によって被検出体側に引き出されたものである。そのため、発振コイル側ではエネルギーが低下して発振振幅が小さくなる。この発振振幅の変化に基づいて、被検出体とヘッド間の距離の変動を検出することが出来る。

ところで、近接センサの検出性能を評価するものの１つに、上記金属体を検出できる最大距離（以下、「検出可能距離」という）があり、これは、近接センサから金属体までの距離変化に対するコンダクタンスＧの変化割合を基に評価することができ、この変化割合が大きいほど検出性能が高い（より長距離の金属体まで検出できる）ことを意味する。そして、特許文献１には、上記検出可能距離の長距離化を目的とする技術が開示されている。具体的には、この技術は、検出コイルが巻回されたＥ型のフェライトコアの外周に磁束誘導部材を設けた構成となっている。これにより、検出コイルから径方向へと広がる磁束を、磁束誘導部材の強磁性薄膜により集めて、金属体が存在する検出領域側へと導くことで、検出可能距離の長距離化を狙っている。
特開２００４−１１９３７０公報

ところで、特許文献１の技術は、磁束誘導部材をフェライトコアの外周に設ける構成であるから、近接センサの検出ヘッドの小型化を障害になり得る。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、大型化を抑制しつつ検出可能距離の長距離化を実現することが可能な近接センサ及び近接センサ用コアを提供するところにある。

上記の目的を達成するための手段として、第１の発明に係る近接センサは、検出コイルと、コアと、前記コア上において前記検出コイルから生ずる磁束の経路をなす部分の両端部のいずれか一方の端部に設けられた強磁性体と、を備える。

第２の発明は、第１の発明の近接センサにおいて、前記強磁性体は、コアの略全周に亘って設けられている。

第３の発明は、第１または第２の発明の近接センサにおいて、前記強磁性体は、前記コア上において前記検出コイルから生ずる磁束の経路をなす部分の両端部にそれぞれ設けられている。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明の近接センサにおいて、前記強磁性体は、前記コア上に形成された強磁性金属薄膜である。

第５の発明は、第４の発明の近接センサにおいて、前記強磁性金属薄膜は、前記コアの全面に蒸着されている。

第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明の近接センサにおいて、前記コアは、Ｅ型コアである。

第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明の近接センサにおいて、前記強磁性体は、前記両端部のいずれか一方の端部を含み、かつ、前記磁束の経路に沿った面上に設けられている。

第８の発明は、第１から第６のいずれかの発明の近接センサにおいて、前記強磁性体は、前記両端部をそれぞれ含み、かつ、前記磁束の経路に沿った各側面上に設けられている。

第９の発明に係る近接センサ用コアは、近接センサに設けられ、検出コイルから生ずる磁束を誘導するコアであって、前記検出コイルから生ずる磁束の経路をなす部分の両端部のいずれか一方の端部に、強磁性金属薄膜が形成されている。

検出可能距離の長距離化を図るための１つの方法として、コアのうち検出コイルで発生した磁束の出射部と入射部との離間距離を狭めることが考えられる。この離間距離を狭めれば、入出射部間のギャップ部分での磁気エネルギ損失を低減でき、その分だけより遠距離まで磁束を導くことができると考えられるからである。ところで、近接センサで使用されるコアは、フェライトなどの磁性体で形成すべきであり、強磁性体で形成すべきでない。なぜならば、一般に渦電流損は、次の式１で表されるところ、強磁性体（例えば鉄）は、磁性体（例えばフェライト）に比べて体積抵抗率ρが小さいため、コアでの渦電流損が大きくなってしまうからである。近接センサの場合、コアは検出コイルで発生した磁束を誘導する磁束の経路として利用するだけであり、ここでの渦電流損をなるべく抑えるべきである。

従って、上記方法を採用した一例として、コア自体の心棒と外壁との離間距離を狭くすることが考えられる。しかしながら、検出可能距離の長距離化について、ある程度の効果を得るためには、磁性体であるコア自体の心棒と外壁との離間距離をかなり狭くしなければならないが、その一方で、検出コイルは所定の検出性能に応じた巻き数が必要であり、それに応じたスペースを心棒と外壁との間に確保する必要がある。

そこで、第１の発明では、コア上において検出コイルから生ずる磁束の経路をなす部分の両端部（例えばＥ型コアであれば心棒先端部及び外壁先端部）のうち少なくとも一方の端部に強磁性体（特に強く磁化しヒステリシスを示す物質）を設けた。要するに、検出コイルで発生した磁束の出射部と入射部との離間距離を、強磁性体で埋める構成である。強磁性体であれば、磁性体よりも透磁率が高いため、上記離間距離を磁性体で埋める場合よりも広い離間距離を確保しつつ、検出可能距離の長距離化を図ることができる。しかも、近接センサの大型化を抑制できる。

第２の発明によれば、強磁性体をコアの略全周に亘って設けることで、近接センサ側から見てほぼ全周に亘って検出精度が均一な検出領域を形成することができる。

第３の発明によれば、磁束密度を高めて検出可能距離のより長距離化を図ることができる。
きる。

第４，第９の発明によれば、所望の検出性能に応じた厚さに強磁性体を設けることができる。

第５の発明によれば、部分的に金属蒸着をする場合に比べて蒸着作業が簡単になる。

第６の発明によれば、コアがＥ型コアであり、例えばＴ型コアに比べて磁束の入出射部間距離が狭いため、検出可能距離の長距離化という観点からは望ましい。

第７，第８の発明によれば、強磁性体が検出コイルから生ずる磁束の経路をなす部分の端部を含んで、当該磁束の経路に沿った面上に設けられいるから、上記端部のみに強磁性体を設けた構成に比べて、コアでのコンダクタンスを大きくして、検出可能距離の更に長距離化が期待できる。

本発明の一実施形態を、図１〜図５によって説明する。
１．近接センサの全体構成
図１は、近接スイッチ１の電気的構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、近接スイッチ１は、発振回路１０、検波回路２０、及び比較回路３０により構成されている。発振回路１０は、検出コイルＬとコンデンサＣとからなるＬＣ並列共振回路１１と増幅回路１２とを備えている。

このＬＣ並列共振回路１１に対して図示しない電源回路から直流電圧が印加されると、ＬＣ並列共振回路の検出コイルＬとコンデンサＣとの間に電気振動が生じる。これにより、コンデンサＣの両端には振幅レベルがほぼ一定な交流の電圧（以下、発振振幅とする）が生じ、これが検波回路２０に出力される。

ここで、被検出体（金属体）Ｗと検出コイルＬとが離れている場合には、検出コイルＬに生ずる磁束が被検出体Ｗにほとんど鎖交しない。そのため、被検出体Ｗには誘導電流（渦電流）が流れず、同被検出体Ｗでのエネルギー損失がないため、検出コイルＬとコンデンサＣによる電気振動は一定の振幅レベルを保った状態で持続する。

これに対して、検出コイルＬが被検出体Ｗに接近すると、被検出体Ｗに渦電流が流れる。これは近接スイッチ１側から被検出体Ｗ側にエネルギーが引き出されたということであるから、近接スイッチ１側にエネルギーの損失が生じて、発振振幅のレベルが低下する。

そして、発振回路１０からの出力は交流電圧であるから、これを検波回路２０で、整流して直流電圧に変換し、比較回路３０に出力する。比較回路３０は例えば、コンパレータからなり、所定の基準電圧レベルと検波回路２０から出力された電圧レベルとを比較して、それに応じた出力を行う。

より具体的には、コンパレータの基準電圧レベルは、被検出体Ｗと検出コイルＬとが離間した状態の発振振幅のレベルより幾らか小さな値に設定されている。そのため、コンパレータは検波回路２０から出力される電圧のレベルが基準電圧レベルより大きいときには、非検出状態の出力（例えば、ＯＦＦ信号を出力して動作表示灯を消灯）を行い、これとは反対に、検波回路２０から出力される電圧のレベルが基準電圧レベルより小さいときには、検出状態の出力（例えば、ＯＮ信号を出力して動作表示灯を点灯）を行うように構成されている。

図２は近接スイッチ１の分解斜視図である。図２に示すように、近接スイッチ１は、ヘッド部４０と、スイッチ本体５０とを備えている。スイッチ本体５０は略円筒形状をなしており、内部には先に説明した検波回路２０、比較回路３０が実装される回路基板（図示せず）が収容されるとともに、前方からヘッド部４０が嵌めあわされるようになっている。スイッチ本体５０の内部にヘッド部４０が嵌めあわされた後に、そのスイッチ本体５０の内部にヘッド部４０を固定するための樹脂が充填されるとともに、そのスイッチ本体５０の前方側の開口部には薄い円板状のキャップ５１が被せられる。そして、スイッチ本体５０とキャップ５１との境界部分が接着剤あるいは溶着等によって接合される。これにより、スイッチ本体５０の内部にヘッド部４０が密閉された状態で収容される。スイッチ本体５０及びキャップ５１は、樹脂材料あるいは金属材料などにより形成される。なお、図２では、スイッチ本体５０及びキャップ５１が別体である例を示しているが、これら２つの部材は一体に形成されていてもよい。

図２に示すように、ヘッド部４０は、検出コイルＬ、及びコア６０を備えている。
検出コイルＬは、銅線などからなる線材７１がボビン７０の周囲に巻き付けられたものである。ボビン７０は、樹脂材料により略円筒形状に形成されたものであり、その上端部及び下端部には、鍔部７２，７３がそれぞれ形成されている。下端側の鍔部７３の外周部分には、径方向外向きに開口する切り欠き部７４Ａ,７４Ｂが２箇所に形成されている。この切り欠き部７４Ａ,７４Ｂは、ボビン７０に巻かれた線材７１の端部をスイッチ本体５０側に引き出すためのものである。スイッチ本体５０とヘッド部４０を電気的に接続するための２本のケーブル５２は、この切り欠き部７４Ａ,７４Ｂから引き出された線材７１の両端部にそれぞれ接続される。そして、この２本のケーブル５２間には、ＬＣ並列共振回路を構成する発振用のコンデンサＣが上記回路基板上に形成されている。

コア６０は、Ｅ型コアである。より具体的には、コア６０は、フェライトなどの磁性材料により略円筒状に形成されたものである。コア６０の底部には、円柱状の心棒部６１が設けられており、この心棒部６１がボビン７０の軸心に設けられた嵌合孔７５に嵌合される。一方、コア６０の外周には外壁部６２が設けられており、ボビン７０の嵌合孔７５に心棒部６１が嵌合されると、検出コイルＬの周囲をコア６０の外壁部６２が取り囲むようになっている。

また、コア６０の外周に設けられた外壁部６２には、コア６０の中心を挟んで対向する２箇所の位置に、開口部６３Ａ,６３Ｂが設けられている。この開口部６３Ａ,６３Ｂは、ボビン７０に巻かれた線材７１の両端部をスイッチ本体５０側に導出するために設けられたものである。

２．検出可能距離の長距離化のための構成
図３，図４は、検出コイルＬ、及びコア６０の断面図である。ただし、図３は、これら２つの部材を組み付ける前の状態を示しており、図４は、これら２つの部材を組み付けた後の状態を示している。

さて、本実施形態では、図３に示すように、コア６０には、強磁性金属薄膜８０（「強磁性体」の一例 例えば鉄、コバルトやニッケル）が形成されている。この強磁性金属薄膜８０は、めっき又は蒸着加工により形成されている。より具体的には、コア６０のうち心棒部６１の外周面、外壁部６２の内面及び心棒部６１と外壁部６２との間の底面の全面に、強磁性金属薄膜８０が形成されている。つまり、コア６０上において磁束の経路をなす部分の両端部である心棒部６１の先端及び外壁部６２の先端をそれぞれ含み、かつ、上記磁束の経路に沿った面（心棒部６１の外面、外壁部６２の内面）上に強磁性金属薄膜８０が形成されている。本実施形態では、例えば、コア６０は、外径が７ｍｍ、心棒部６１の外径が３．２ｍｍ、外壁部６１の厚さが０．４５ｍｍであり、これに、強磁性金属薄膜８０が１０〜２０μｍの膜厚で形成されている。

なお、この強磁性金属薄膜８０は、電気的なシールド目的で機能するものではないため、グランドレベルへの接地はされない。また、上記強磁性金属薄膜８０は、表皮深さδに応じた厚さで形成されている。ここで、ＬＣ並列共振回路１１の共振周波数が高くなればなるほど、コア６０の表面に電流が集中し、この現象を表皮効果と呼び、その電流の流れる深さを表皮深さδといい、次の式２で表される。

従って、近接センサ１の周波数と、強磁性金属薄膜８０の透磁率及び導電率が分かれば、上記式２から表皮深さδを算出できる。そして、本実施形態では、強磁性金属薄膜８０の膜厚を、ここで算出された表皮深さδよりも薄くすることで、強磁性金属薄膜８０を設けたことによる磁界の強さへの影響を抑制している。

そして、図４に示すように、強磁性金属薄膜８０が形成されたコア６０に検出コイルＬが組み付けられる。

３．本実施形態の効果
図５には、第１例のコア、第２例のコア、及び本実施形態の強磁性金属薄膜８０が形成されたコア６０についてそれぞれに発生する磁束を模式的に示した図である。まず、同図左側の第１例のコアは、上述したコア６０であって強磁性金属薄膜８０が蒸着されていないものである。なお、コア６０の心棒部６１と外壁部６２との離間距離はｄ１である。一方、同図中央の第２例のコアは、第１例のコアに対して、例えば心棒部６１の外径は変えずに外壁部６２を厚くして、コアの心棒部と外壁部との離間距離（ｄ２＜ｄ１）を狭くしたものである。このようにすれば、心棒部と外壁部との離間距離を狭くした分だけ、そのギャップ間での磁気エネルギ損失が低減される。しかし、同離間距離が狭くなった分だけ、第１例のコアよりも少ない巻き数しか検出コイルＬを巻回できなくなり得る。そうすると、検出コイルＬ自体から発生する磁界が弱くなり、結局、検出距離の長距離化の効果がそれほど顕著に表れないことがある。

これに対して、図５右側の本実施形態のコア６０は、第１例のコアと同じコア６０を使用しつつ強磁性金属薄膜８０を形成したものである。つまり、検出コイルＬで発生した磁束が出射される出射部（心棒部６１と外壁部６２とにおいて最短距離に位置する部分同士の一方）と、当該磁束が入射される入射部（同部分同士の他方）との離間距離が、強磁性金属薄膜８０にて埋められている。その離間距離は第２例のコアほど狭くはないが、強磁性金属薄膜８０はフェライトなどの磁性体に比べて透磁率が高いため、薄膜でも十分に磁束密度を高くすることができる。しかも、強磁性金属薄膜８０は薄膜であるから、この強磁性金属薄膜８０での渦電流損も極力抑えている。従って、本実施形態のコア６０であれば、第１例のコアや第２例のコアよりも検出可能距離の長距離化の効果を得られる。

ここで、コア全体と強磁性体とすることも考えられるが、この構成は近接センサにおいては好ましくない。なぜならば、上述したように、強磁性体（例えば鉄）は、磁性体（例えばフェライト）に比べて体積抵抗率ρが小さいため、コアでの渦電流損が大きくなってしまうからである。

また、本実施形態では、コア６０の心棒部６１の外面と外壁部６２の内面とに強磁性金属薄膜８０を形成する構成であり、比較的磁束密度が高い中央寄りの磁束について強磁性金属薄膜８０の強磁性により更に磁束密度を高めるようにしている。従って、上記背景技術欄で説明した従来技術のように検出コイルの径方向外向きに広がる比較的に磁束密度が低い磁束を集める構成に比べて、更なる検出可能距離の長距離化が期待できる。

更に、強磁性金属薄膜８０をコア６０の軸心回りのほぼ全周に亘って形成したから、金属体５０が存在し得る検出領域に対してほぼ全周に亘って検出精度を均一にすることができる。なお、本実施形態６０のコア６０には開口部６３Ａ,６３Ｂが形成されているが、これは検出精度にそれほど影響がない。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、コアとしてＥ型コアとしたが、これに限らず、Ｔ型コア（Ｅ型コアに対して外壁部がないタイプ）であってもよい。

（２）上記実施形態では、心棒部６１の外周面、外壁部６２の内面及び心棒部６１と外壁部６２との間の底面の全面に、強磁性金属薄膜８０を形成する構成としたが、例えば磁束の出射部及び入射部とされる心棒部６１と外壁部６２との先端対向部のいずれか一方に強磁性金属薄膜８０を形成すれば本発明の効果を得ることが可能となる。また、蒸着、めっき工程の簡略化のためにコア６０の全面に強磁性金属薄膜８０を形成する構成であってもよい。

（３）上記実施形態では、強磁性金属薄膜８０をコア６０の軸心回りのほぼ全周に亘って形成したが、特定方向のみに所定の検出精度を得たい場合には、当該所定方向に対応した位置にのみ強磁性金属薄膜８０を形成する構成であってもよい。

（４）上記実施形態では、強磁性体として強磁性金属薄膜８０を例に挙げて説明したが、例えば強磁性の金属平板であってもよい。

本発明の一実施形態に係る近接スイッチの電気的構成の一例を示すブロック図 近接スイッチの分解斜視図 検出コイル、及びコアを組み付ける前の状態を示す断面図 検出コイル、及びコアを組み付けた後の状態を示す断面図 各コアと検出可能距離との関係を説明するための模式図

符号の説明

１…近接スイッチ
６０…コア
８０…強磁性金属薄膜（強磁性体）
Ｌ…検出コイル

Claims (9)

1. 検出コイルと、
   コアと、
   前記コア上において前記検出コイルから生ずる磁束の経路をなす部分の両端部のいずれか一方の端部に設けられた強磁性体と、を備える近接センサ。
2. 前記強磁性体は、コアの略全周に亘って設けられている請求項１に記載の近接センサ。
3. 前記強磁性体は、前記コア上において前記検出コイルから生ずる磁束の経路をなす部分の両端部にそれぞれ設けられている請求項１または請求項２に記載の近接センサ。
4. 前記強磁性体は、前記コア上に形成された強磁性金属薄膜である請求項１から請求項３のいずれかに記載の近接センサ。
5. 前記強磁性金属薄膜は、前記コアの全面に蒸着されている請求項４に記載の近接センサ。
6. 前記コアは、Ｅ型コアである請求項１から請求項５のいずれかに記載の近接センサ。
7. 前記強磁性体は、前記両端部のいずれか一方の端部を含み、かつ、前記磁束の経路に沿った面上に設けられている請求項１から請求項６のいずれかに記載の近接センサ。
8. 前記強磁性体は、前記両端部をそれぞれ含み、かつ、前記磁束の経路に沿った各側面上に設けられている請求項１から請求項６のいずれかに記載の近接センサ。
9. 近接センサに設けられ、検出コイルから生ずる磁束を誘導するコアであって、
   前記検出コイルから生ずる磁束の経路をなす部分の両端部のいずれか一方の端部に、強磁性金属薄膜が形成されている近接センサ用コア。

Images