JP2009200880A - 無線近接センサシステムおよび無線近接センサ - Google Patents

Abstract

【課題】無線近接センサのセンサ部に供給する電池による主電源の消耗を抑制し結果としてその寿命を延ばすこと。
【解決手段】本無線近接センサシステム１は、検出物体の検出時に近接検出信号を出力するセンサ部２７、およびセンサ部２７から入力される近接検出信号を無線送信するセンサ側無線部２５、を備える無線近接センサ１１と、無線近接センサ１１のセンサ側無線部２５から無線送信される近接検出信号を受信するコントローラ側無線部５と、を備え、検出時には電池を主電源としてセンサ部２７を電池駆動する一方、検出物体の非検出により待機時には、ＡＭ受信検波部２４の検波出力を、上記主電源に代えてセンサ部２７に供給する補助電源とする構成。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線近接センサと、この無線近接センサによる検出情報を用いて工作機械や装置あるいは制御機械や装置等を制御するプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）等の各種コントローラと、を備えた無線近接センサシステムおよび該システムに用いる無線近接センサに関するものである。

近接センサは、検出対象に非接触の状態で当該検出対象の存在や移動等を検出することができるものであり、種類も多く、またその用途も多岐にわたっている。例えば高周波型無線近接センサは、その先端部が金属感応部として構成されており、金属感応部と金属製の検出対象との距離に応じた近接検出信号を出力するようになっている。近接検出信号の出力形態にはアナログ出力、オンオフ出力等がある。

ＰＬＣには、ファクトリーオートメーション（ＦＡ）の分野で用いられているビルディングブロック型があり、これは複数のユニットから構成される。それらのユニットとしては、例えば、電源を供給する電源ユニット、ＰＬＣ全体の制御を統率するＣＰＵユニット、ＦＡの生産装置や設備装置の適所に取り付けたスイッチやセンサ等の入力機器の信号を入力する入力ユニット、等を挙げることができる。ＰＬＣのＣＰＵユニットにおける制御は、入力ユニットから入力した入力信号等をＣＰＵユニットのＩ／Ｏメモリに取り込むようになっている。

上記入力ユニット等には、各種の入力機器が接続され、近接センサもその１つである。この近接センサと入力ユニットとを接続するための接続構造としては、電気コードを介するコード接続方式がある。また、入力機器が、近接センサのような能動型の入力機器である場合、その接続構造に採用される配線方式も３線式や２線式が存在する。いずれにしても、近接センサではその検出出力を信号ケーブルと電源ケーブルでＰＬＣの入力ユニットに接続されるものがあり、この入力ユニットに設置する近接センサの数が増えるとそのケーブル配線も複雑化する。

一方、センサにはこのケーブル配線を不要とする無線通信機能を備えたものがある。例えば特開２００２−２１８５７１では、センサと無線機とを子機とし、複数の子機それぞれの出力を無線機で監視側に送信する技術が開示されている。この公報では複数の子機からの送信を特定小電力無線の周波数で行うことが開示されている。

ところで、上記ＰＬＣの入力機器としての近接センサのうち例えば高周波発振・振幅検出型の近接センサでは、一定の周波数で発振を行い金属体等の検出物体の接近によって発振の振幅の変化を検出するものである。この近接センサでは、高周波で発振する発振回路部を備え、金属体や磁性体等からなる検出物体が発振回路部内の発振コイルに接近すると、電磁誘導作用によって渦電流損が生じて発振コイルの実効抵抗値であるインピーダンスが変化することにより発振回路部の発振振幅が変化することを利用したものであり、検出物体の近接状態に応じて発振回路部の発振振幅が跳躍的に変化して、発振（非検出）または発振停止（検出）させることによる発振振幅の変化で検出物体の有無の判定を行うことができる（特許文献２参照）。

そして本出願人は、上記に鑑みて、無線機能を搭載し例えば電池駆動型とした無線近接センサを鋭意開発中であるが、その場合の課題として、センサ部での電池消費電流低減化がある。すなわち、工作機械内部にＰＬＣの入力機器として無線近接センサを設置した無線近接センサシステムにおいて、工作機械によっては長期連続稼動が要求されるような場合、電池の早期消耗によりその交換頻度が多いのでは電池交換による工作機械の稼動停止時期が早期に到来し、場合によっては工作機械の安全稼動にも影響してくるようになる。一方、電池消耗を抑制する回路を無線近接センサ内部に組み込む方式としても、当該電池消耗抑制回路それ自体での電池消耗が嵩むため、この方式は採用し難い。
特開２００２−２１８５７１号公報 特開２００７−１４１７６２号公報

したがって、本発明により解決すべき課題は、無線機能を搭載し電池駆動型とした無線近接センサを例えば工作機械を制御するＰＬＣの入力機器として当該工作機械等に設置した場合に、無線近接センサのセンサ部に供給する電池電源の寿命を延ばして電池の交換頻度を少なくしてシステムの稼動の早期停止を極力回避可能として工作機械等の長期にわたり安全な連続稼動を可能とした無線近接センサシステムを提供することである。

（１）本発明による無線近接センサシステムは、
検出物体の検出時に近接検出信号を出力するセンサ部および上記センサ部から入力される近接検出信号を無線送信するセンサ側無線部を備える無線近接センサと、
上記無線近接センサのセンサ側無線部から無線送信される近接検出信号を受信するコントローラ側無線部と、を備えると共に、
上記コントローラ側無線部により電力供給電波信号を送信駆動されるＡＭ送信アンテナと、
上記電力供給電波信号をＡＭ受信するＡＭ受信アンテナと、
ＡＭ受信アンテナの受信出力を検波するＡＭ受信検波部と、
検出時には電池を主電源として上記センサ部を電池駆動する一方、検出物体の非検出により待機時には、上記ＡＭ受信検波部の検波出力を、上記電池による主電源に代えて上記センサ部に供給する補助電源とするセンサ電源部と、
を備えたことを特徴とするものである。

本発明によると、検出物体の非検出時である待機時には、無線近接センサのセンサ部に電池による主電源に代えてコントローラ側無線部側からのＡＭ受信検波出力を補助電源に利用することができるので、待機時におけるセンサ部での電池電源の消費を大幅に低減することができるようになる。また、ＰＬＣの入力機器として、上記無線近接センサを設置した場合では、センサ部の電池による主電源の寿命が大幅に向上するので、無線近接センサが電池による主電源の早期寿命到来で検出動作できなくなるようなことを回避でき、システムの安全性を確保することができるようになる。

好ましい態様の１つは、上記センサ側無線部が、電池電源で駆動され、その電源供給制御モードとして、通常の送信動作が可能に電池電源が供給されるノーマルモードと、電池電源の供給が制限されるスリープモードとを持ち、上記待機時で上記センサ部から近接検出信号が入力されないときはスリープモードとすることである。この態様では、センサ側無線部を電池駆動型とした場合において、無線近接センサ全体での電池電源の消費低減化に好ましい。

より好ましい態様の１つは、上記コントローラ側無線部の受信に応答して制御機器をシーケンス制御する一方で、上記無線近接センサを入力機器とするプログラマブルコントローラを備えることである。

（２）本発明による無線近接センサは、
検出物体の検出持に近接検出信号を出力するセンサ部と、
上記センサ部から入力される近接検出信号を無線送信するセンサ側無線部と、
コントローラ側無線部のＡＭ送信アンテナにより送信されてくる電力供給電波信号をＡＭ受信するＡＭ受信アンテナと、
ＡＭ受信アンテナの受信出力を検波するＡＭ受信検波部と、
検出時には電池を主電源として上記センサ部を電池駆動する一方、検出物体の非検出により待機時には、上記ＡＭ受信検波部の検波出力を、上記電池による主電源に代えて上記センサ部に供給する補助電源とするセンサ電源部と、
を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、無線近接センサのセンサ部に供給する電池による主電源の寿命を大幅に延ばすことができるので、当該電池の交換頻度が大幅に少なくなり、システムの早期稼動停止の回避が可能となり、工作機械等を長期にわたり安全に連続稼動することができるようになる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る無線近接センサシステムを詳細に説明する。この無線近接センサシステムではコントローラとしてＰＬＣを適用するが、これに限定されない。

図１に、実施の形態が適用される無線近接センサシステムの概略構成を示す。この無線近接センサシステム１は、コントローラ側として、制御対象である工作機械９外に配置した制御盤３側に、ＦＭ受信アンテナ１４を備えたコントローラ側無線部５と、このコントローラ側無線部５に有線接続されるＰＬＣ７とが配備され、無線近接センサ側として、制御対象である工作機械９内部に、無線近接センサ１１が配置されている。

工作機械９内部には、コントローラ側無線部５から有線の形態で延びるフェライトバータイプのＡＭ送信アンテナ１３が配備されている。図１で示す工作機械９内部には説明の都合で無線近接センサ１１が１つ図示されるだけであるが、２つ以上配置する場合を含むことができる。

無線近接センサ１１は、筐体１５内部に、検出コイル１７、センサ基板１９、筐体１５から着脱可能な電池２９が配備されている。センサ基板１９には当該無線近接センサ１１の図示略の各種電子部品が実装されていると共にパターンアンテナタイプのＦＭ送信アンテナ２１と、ＡＭ受信アンテナ２３とが設置されている。

無線近接センサ１１は、上記電子部品と上記両アンテナ２１，２３とにより、センサ側無線部２５（図１中では符号略）を構成することができる。

上記無線近接センサシステム１構成では、コントローラ側無線部５から工作機械９内部のＡＭ送信アンテナ１３を介してセンサ側無線部２５のＡＭ受信アンテナ２３へ例えば１３５ｋＨｚの低周波信号が電力供給電波信号として常時送信されるようになっている。

無線近接センサ１１においては、ＦＭ送信アンテナ２１からコントローラ側無線部５のＦＭ受信アンテナ１４に検出物体の検出にかかる接近検出信号を送信する。この接近検出信号にはセンサ番号、検出状態、その他のセンサ情報を含む。

コントローラ側無線部５は、ＦＭ受信アンテナ１４で受信した接近検出信号をＰＬＣ７に送信することにより、当該ＰＬＣ７は、工作機械９をシーケンス制御することができる。

図２は、上記無線近接センサ１１の回路ブロック構成で示す。

無線近接センサ１１は、ＦＭ送信アンテナ２１と、センサ側無線部２５と、センサ部２７と、ＡＭ受信アンテナ２３と、ＡＭ受信検波部２４と、センサ電源部２６と、電池２９（電源部）と、を有している。

センサ部２７は、検出コイル２７ａと、発振部２７ｂと、発振部２７ｂの発振出力を整流して直流化するとともに検波する検波部２７ｃと、この検波部２７ｃの出力に応じて検出物体の有無を示す接近検出信号を発生する出力部２７ｄと、を備える。発振部２７ｂは、金属体や磁性体等からなる検出物体が検出コイル２７ａに接近すると、電磁誘導作用によって渦電流損が生じて検出コイル２７ａの実効抵抗値であるインピーダンスが変化することにより発振部２７ｂの発振出力の振幅（発振振幅）レベルが変化するものであり、検出物体の近接状態に応じて発振部２７ｂの発振振幅レベルが変化して、発振または発振停止することで検出物体の有無の検出を行うことができるようになっている。検波部２７ｃは、発振部２７ｂの発振出力の大きさに対応して直流化し、この直流化出力を所定値と比較し、検出物体が接近して発振出力が所定値にまで小さくなると検出動作し、接近検出信号を出力部２７ｄに出力する。

ＡＭ受信アンテナ２３は、ＡＭ送信アンテナ１３から送信されてきた電力供給電波信号をＡＭ受信する。ＡＭ受信検波部２４は、ＡＭ受信アンテナ２３の受信出力を検波する。

センサ電源部２６は、電池を主電源として内蔵すると共に検出時には該電池でセンサ部２７を駆動する一方、検出物体の非検出により待機している時には、ＡＭ受信検波部２４の検波出力を、上記電池による主電源に代えてセンサ部２７に供給する補助電源とするようになっている。

センサ側無線部２５は、電源制御部２５１と、マイコン（マイクロコンピュータの略称）２５２と、接近検出信号をマイコン２５２の制御を受けてＦＭ変調するＦＭ変調送信部２５３と、を備え、ＦＭ変調した接近検出信号をＦＭ送信アンテナ２１で送信するようになっている。ＦＭ変調送信部２５３の詳細は略する。

マイコン２５２は、ＣＰＵ、メモリ等を含み、メモリには無線近接センサ１１の動作制御プログラム、電源供給制御モード制御プログラム、その他のプログラムを格納するメモリや、ＣＰＵの作業エリアを提供するメモリや、データ等を格納するメモリ等から構成されている。

センサ側無線部２５では、センサ部２７からの接近検出信号をマイコン２５２のＡＤ変換ポートに入力されると、マイコン２５２では、接近検出信号の入力に応答してＦＭ変調送信部２５３を制御しＦＭ送信アンテナ２１から３００ＭＨｚ帯から４００ＭＨｚ帯の信号を送信する。

センサ側無線部２５の電源制御部２５１は、マイコン２５２により制御されて、電源供給制御モードとして、通常の無線動作が可能なようにセンサ側無線部２５への電源が供給されるノーマルモードと、センサ側無線部２５への電源供給が制限されるスリープモードとに電池２９（電源部）からの電源供給を制御する。マイコン２５２は、センサ部２７からの接近検出信号の入力に応答して、電源制御部２５１を介して上記電源供給制御モードを制御するようになっている。

図３を参照して、ＡＭ受信検波部２４の構成を説明すると、このＡＭ受信検波部２４は電圧増幅回路２４１と、整流平滑回路２４２とを含み、ＡＭ受信アンテナ２３入力は、電圧増幅回路２４１で電圧増幅されたうえで結合コンデンサ２４３を介して整流平滑回路２４２で整流平滑されて直流化され、その直流化出力が電源用ＩＣからなるセンサ電源部２６に供給される。

センサ電源部２６は、この直流化出力により出力部ＯＵＴからセンサ部２７への電源を出力することができる。なお、電圧増幅回路２４１には図示略の電池電源が、また、整流平滑回路２４２には、高抵抗２４４を介して図示略の電池電源が供給されるが、これら電池電源は、電圧増幅回路２４１での電圧増幅であり、また、整流平滑回路２４２には高抵抗２４４を介して供給されるのでほとんど消費されずに済む。

図４を参照してセンサ電源部２６をさらに説明すると、センサ電源部２６は電源用ＩＣにより構成されているが、実施の形態で必要とする機能としては、補助電源としてのＡＭ受信検波部２４の出力と、電池からなる主電源２６１の出力とを切替えるスイッチ２６２と、このスイッチ２６２の切替えを制御するスイッチ制御部２６３とを有することである。スイッチ制御部２６３は、接近検出信号から検出物体の非検出時である待機時か否かを判定し、待機時であると無線近接センサ１１のセンサ部２７に電池による主電源２６１に代えてコントローラ側無線部５側からのＡＭ受信検波部２４の出力を補助電源に利用することができる。

図５を参照してコントローラ側無線部５の概略構成を説明すると、このコントローラ側無線部５は、ＦＭ受信アンテナ１４、ＡＭ送信アンテナ１３、ＦＭ受信復調部５３、ＡＭ変調送信部５４、マイコン５５、出力部５６、入力部５７を備える。マイコン５５は、ＣＰＵ、メモリ等を含み、メモリには無線近接センサ１１のセンサ側無線部２５との通信およびＰＬＣ７との通信制御プログラム、その他のプログラムを格納するメモリや、ＣＰＵの作業エリアを提供するメモリや、データ等を格納するメモリ等から構成されている。

コントローラ側無線部５では、近接センサ１１のセンサ側無線部２５のＦＭ送信アンテナ２１から送信されてくるＦＭ信号をＦＭ受信アンテナ１４により受信しＦＭ受信復調部５３でＦＭ復調したうえでマイコン５５のＡＤ変換ポートに入力する。マイコン５５では出力ポートから出力部５６に出力しＰＬＣ７にその接近検出信号を入力する。コントローラ側無線部５には入力部５７を通じてＰＬＣ７から制御指令を入力する。マイコン５５はＰＬＣ７からの制御指令に応答してＡＭ変調送信部５４を制御してＡＭ送信アンテナ１３から電力供給電波信号を送信する。この場合、コントローラ側無線部５はＰＬＣ７からの制御指令とはかかわりなくＡＭ送信アンテナ１３から電力供給電波信号を送信するようにしてもよい。

以上の実施の形態において、無線近接センサ１１のセンサ電源部２６では、電池による主電源２６１に代えてコントローラ側無線部５側からのＡＭ受信検波出力をセンサ部２７の補助電源に利用することができるので、待機時におけるセンサ部２７でのセンサ電源部２６の電池による主電源２６１の消費を大幅に低減することができるようになる。また、ＰＬＣ７の入力機器として、上記無線近接センサ１１を設置した場合では、センサ部２７の主電源２６１の寿命が大幅に向上するので、無線近接センサ１１が主電源２６１の早期寿命到来で検出動作できなくなるようなことを回避でき、システムの安全性を確保することができるようになる。

図１は本発明の実施の形態に係る無線近接センサシステムの概略構成を示す図である。 図２は無線近接センサのブロック回路構成を示す図である。 図３は図２の無線近接センサのＡＭ受信検波部の詳細図である。 図４はセンサ電源部の機能ブロック図である。 図５はコントローラ側無線部のブロック回路構成を示す図である。

符号の説明

１ 無線近接センサシステム
３ 制御盤
５ コントローラ側無線部
７ ＰＬＣ
９ 工作機械
１１ 無線近接センサ
１３ ＡＭ送信アンテナ
１４ ＦＭ受信アンテナ
２１ ＦＭ送信アンテナ
２３ ＡＭ受信アンテナ
２４ ＡＭ受信検波部（補助電源）
２５ センサ側無線部
２６ センサ電源部
２６１ 主電源
２７ センサ部

Claims (4)

1. 検出物体の検出時に近接検出信号を出力するセンサ部、および上記センサ部から入力される近接検出信号を無線送信するセンサ側無線部、を備える無線近接センサと、
   上記無線近接センサのセンサ側無線部から無線送信される近接検出信号を受信するコントローラ側無線部と、を備えると共に、
   上記コントローラ側無線部により電力供給電波信号を送信駆動されるＡＭ送信アンテナと、
   上記電力供給電波信号をＡＭ受信するＡＭ受信アンテナと、
   ＡＭ受信アンテナの受信出力を検波するＡＭ受信検波部と、
   検出時には電池を主電源として上記センサ部を電池駆動する一方、検出物体の非検出により待機時には、上記ＡＭ受信検波部の検波出力を、上記電池による主電源に代えて上記センサ部に供給する補助電源とするセンサ電源部と、
   を備えたことを特徴とする無線近接センサシステム。
2. 上記センサ側無線部は、電池電源で駆動され、その電源供給制御モードとして、通常の送信動作が可能に電池電源が供給されるノーマルモードと、電池電源の供給が制限されるスリープモードとを持ち、上記待機時で上記センサ部から近接検出信号が入力されないときはスリープモードである、ことを特徴とする請求項１に記載の無線近接センサシステム。
3. 上記コントローラ側無線部の受信に応答して制御機器をシーケンス制御する一方で、上記無線近接センサを入力機器とするプログラマブルコントローラを備えた、ことを特徴とする請求項１または２に記載の無線近接センサシステム。
4. 検出物体の検出持に近接検出信号を出力するセンサ部と、
   上記センサ部から入力される近接検出信号を無線送信するセンサ側無線部と、
   コントローラ側無線部のＡＭ送信アンテナにより送信されてくる電力供給電波信号をＡＭ受信するＡＭ受信アンテナと、
   ＡＭ受信アンテナの受信出力を検波するＡＭ受信検波部と、
   検出時には電池を主電源として上記センサ部を電池駆動する一方、検出物体の非検出により待機時には、上記ＡＭ受信検波部の検波出力を、上記電池による主電源に代えて上記センサ部に供給する補助電源とするセンサ電源部と、
   を備えたことを特徴とする無線近接センサ。

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