JP2014187627A - 近接センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】サイズを変えることなく、検出距離を長くすることのできる近接センサシステムを提供する。
【解決手段】被検出体Ａの近接を検出する近接センサシステム１００であって、所定の発振周波数で磁界を形成する発振回路部を備えるセンサユニット１０と、被検出体Ａに設けられ、所定の発振周波数に基づく共振周波数を有する共振回路部を備える被検出ユニット５０と、を備える。前述の発振回路部は、検出用コイル２１と、発振回路２５と、を含んで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明に係るいくつかの態様は、例えば、高周波発振型の近接センサシステムに関する。

従来、この種の近接センサとして、ケースの長手方向に沿って収納された検出信号処理用のプリント基板を備える近接スイッチにおいて、スイッチの動作状態を表示するための表示素子をプリント基板の一側に備えるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この近接スイッチによれば、表示素子がプリント基板の幅方向略中央部に装着されず、基板の幅方向の一側に装着されているので、ディスクリートＬＥＤをプリント基板に実装したりすることなく、表示素子の点灯をスイッチ外部から容易に確認することができる。

特開平１１−３１２４４６号公報

ところで、従来の近接センサでは、被検出体の近接（有無）を検出することができる検出距離が、磁束を発生させ、磁界を形成する検出面の直径の長さに比例していた。そのため、検出距離を長くする場合、検出面の直径を大きくする必要があり、ひいては近接センサのサイズ（大きさまたは寸法）が大きくなっていた。

本発明のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、サイズを変えることなく、検出距離を長くすることのできる近接センサシステムを提供することを目的の１つとする。

本発明に係る近接センサシステムは、被検出体の近接を検出する近接センサシステムであって、所定の発振周波数で磁界を形成する発振回路部を備えるセンサユニットと、被検出体に設けられ、前述の所定の発振周波数に基づく共振周波数を有する共振回路部を備える被検出ユニットと、を備える。

かかる構成によれば、所定の発振周波数で磁界を形成する発振回路部を備えるセンサユニット１０、センサユニットの所定の発振周波数に基づく共振周波数を有する共振回路部を備える被検出ユニットと、を備える。ここで、発振回路部が所定の発振周波数で磁界を形成し、共振回路部が当該所定の発振周波数に基づく共振周波数を有するので、共振回路部は共振する。共振する共振回路部には、磁界（または磁界の磁束）の変化がわずかなときでも、共振していない（非共振の）場合と比較して大きな電圧が発生する。そして、共振回路部により消費される電力（エネルギー）は、発振回路部にエネルギーの損失を与える。よって、センサユニットと被検出体とが近づくときに、磁界（または磁界の磁束）の変化がわずかな（小さい）場合、すなわち、センサユニットと被検出体との検出距離が従来よりも遠い場合でも、被検出体に設けられた被検出ユニットの共振回路部が発振回路部にエネルギー損失を与え、発振回路部の所定の値、例えば、Ｑ値、発振周波数、発振振幅、検出用コイルの内部抵抗やインダクタンス、インピーダンスなどの値が変化するので、被検出体の近接を検出することが可能となる。

また、近接センサシステムは、被検出体に設けられた被検出ユニットの共振回路部が、センサユニットの発振回路部にエネルギー損失を与え、当該エネルギー損失を利用し、被検出体の近接を検出しているので、被検出体が非磁性体であっても発振回路部にエネルギー損失を与えることができ、非磁性体である被検出体を検出することが可能である。また、磁界（磁界の磁束）の変化によって、被検出体自体ではなく、被検出体に設けられた被検出ユニットの共振回路部がエネルギーを損失を与えるので、検出距離は被検出体の種類に依存しない（検出距離は被検出体の種類によって変化しない）。さらに、被検出体に設けられた被検出ユニットの共振回路部を用いることで、従来の近接センサのように電磁誘導作用または電磁誘導作用による渦電流損を利用する場合と比較して、被検出体の大きさ、検出面の形状などの影響も受けにくい、という利点（メリット）を得ることができる。

好ましくは、共振回路部は、抵抗器と、コイルと、コンデンサと、を含む。

かかる構成によれば、共振回路部は、抵抗器と、コイルと、コンデンサと、を含む。これにより、共振回路部の共振周波数は、コイルのインダクタンスと、コンデンサのキャパシタンスとを用いて算出することが可能となる。したがって、発振回路部の所定の発振周波数に基づいてコイルのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスとを設定することで、所定の発振周波数に基づく共振周波数を有する共振回路部を、容易に構成（実現）することができる。

また、抵抗器の抵抗は、共振周波数に影響を与えない一方、抵抗器の抵抗を変えることで、共振回路部のＱ値の周波数特性を変化させることが可能となる。したがって、抵抗器の抵抗を使用態様（使用目的）あわせて設定することで、共振周波数を変化させることなく、共振回路部のＱ値の周波数特性を所望の特性にすることができる。

好ましくは、前述の抵抗器は、可変抵抗器である。

かかる構成によれば、共振回路部は可変抵抗器を備える。これにより、所定の発振周波数の誤差が大きい場合に、可変抵抗器の抵抗を相対的に大きい値に変更することで、共振回路部のＱ値は、広い周波数帯でＱ値の大きい広帯域化された周波数特性にすることができ、共振回路部は、所定の発振周波数の誤差を吸収することが可能となる。したがって、所定の発振周波数の誤差が大きい場合でも、被検出ユニットの共振回路部のＱ値を大きくすることができ、被検出体の近接を検出することができる。一方、所定の発振周波数の誤差が小さい場合に、可変抵抗器の抵抗を相対的に小さい値に変更することで、共振回路部のＱ値は、狭い周波数帯でＱ値の大きい挟帯域化された周波数特性にすることができ、共振周波数の近傍で大きな最大値を有することが可能となる。したがって、磁界（または磁界の磁束）の変化がわずかな（小さい）ときでも、被検出ユニットの共振回路部のＱ値を大きくすることでき、発振回路部のＱ値が大きく変化（低下）するので、検出距離をさらに長くすることができる。

好ましくは、前述のコンデンサは、可変コンデンサである。

かかる構成によれば、共振回路部は可変コンデンサを備える。ここで、可変コンデンサのキャパシタンスは、共振周波数を変化させるので、可変コンデンサのキャパシタンスを変更することで、共振回路部のＱ値の周波数特性において、中心線（中心軸）である共振周波数をシフト（移動）させることができる。よって、所定の発振周波数の誤差がプラスである場合、可変コンデンサのキャパシタンスを小さい値に変更することで、共振回路部のＱ値の周波数特性をプラス方向にシフトすることができ、所定の発振周波数の誤差がマイナスである場合、可変コンデンサのキャパシタンスを小さい値に変更することで、共振回路部のＱ値の周波数特性をマイナス方向にシフトすることができる。したがって、所定の発振周波数の誤差や実際の所定の発振周波数自体が既知である場合、被検出ユニットの共振回路部を共振させることができ、検出距離を維持しつつ、被検出体の近接を検出することができる。

好ましくは、被検出ユニットは、共振回路部を収容する非磁性の筐体を備える。

かかる構成によれば、被検出ユニットは、共振回路部を収容する非磁性の筐体を備える。これにより、発振回路部が形成する磁界の磁束を共振回路部に作用させることできるとともに、共振回路部を外部の環境から保護することができる。したがって、被検出ユニットは、例えば、耐水性、耐油性、耐汚れ、耐振動、耐衝撃、耐熱、耐寒などの耐環境性能を向上させることができ、近接センサシステムは、耐環境性が要求される用途に好適に適用することができる。

好ましくは、発振回路部は、コイルと、コンデンサと、を含む。

かかる構成によれば、発振回路部が、コイルと、コンデンサとを含む。ここで、コイルに所定の発振周波数で電流が流れると、コイルは磁束を発生させ、センサユニットと被検出体との間に、磁界（磁場）を形成する。これにより、所定の発振周波数で磁界を形成する発振回路部を、容易に構成（実現）することができる。

また、コイルおよびコンデンサで構成される共振回路の共振周波数は、コイルのインダクタンスおよびコンデンサのキャパシタンスを用いて算出することができる。したがって、発振回路部の所定の発振周波数を算出される共振周波数と同一に設定することで、共振回路のインピーダンスを最大にすることができ、発振回路部の消費電力を低減させることができる。

本発明の近接センサシステムによれば、同一の検出面の直径を有する従来の近接センサと比較して、検出距離を２倍以上にすることができ、センサユニットのサイズを変えることなく、検出距離を長くすることができる。言い換えれば、近接センサシステムは、同一の検出距離を有する従来の近接センサと比較して、検出面の直径を小さくすることができ、センサユニットを小型化することができる。

近接センサシステムの概略構成を説明する構成図である。 発振回路部の等価回路の一例を説明する回路図である。 図１に示した被検出ユニットの一例を説明する回路図である。 図１に示した近接センサシステムにおける検出距離ごとの周波数とＱ値との関係を示すグラフである。 図１に示した近接センサシステムにおける検出距離とＱ値との関係を示すグラフである。 図３に示した共振回路部における周波数とＱ値との関係を示すグラフである。 図１に示した被検出ユニットの他の例を説明する回路図である。 図１に示した被検出ユニットのさらに他の例を説明する回路図である。 図１に示した被検出ユニットのさらに他の例を説明する回路図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。

図１ないし図９は、本発明に係る近接センサシステムの一実施形態を示すためのものである。図１は、近接センサシステム１００の概略構成を説明する構成図である。図１に示すように、近接センサシステム１００は、検出対象物である被検出体Ａと接触することなく、被検出体Ａの近接または有無を検出するためのものである。近接センサシステム１００は、センサユニット１０と、被検出ユニット５０と、を備える。

センサユニット１０は、非接触式の検出手段である。センサユニット１０は、直径の長さ（以下、単に直径という）Ｍの検出面（図１において左端面）を有する。被検出ユニット５０は、例えば、プレート状（板状）に形成されており、被検出体Ａの表面（図１において右端面）に設けられる。近接センサシステム１００は、センサユニット１０の検出面と被検出体Ａに設けられた被検出ユニットの表面との距離が検出距離Ｄ以下になったときに、被検出体Ａの近接（有無）を検出することが可能となる。

センサユニット１０は、ケース１１と、カバー１２と、検出コイル２１と、プリント基板１３と、ケーブル１４と、を備える。ケース１１は、例えば、金属製の円筒形または略円筒形状の筒体である。ケース１１の内部には、検出コイル２１、プリント基板１３、およびケーブル１４の一端部（図１において左端部）が収容される。ケース１１の開口端部（図１において左端部）には、カバー１２が装着される。カバー１２は、例えば、樹脂製で非導電性の部材であり、検出コイル１２の開放端側（図１において左側）を覆う。検出用コイル２１は、例えば、コアコイル型のインダクタであり、磁性材料のコア２１ａと、当該コア２１ａに巻き付けた電磁コイル２１ｂと、を含んで構成される。プリント基板１３には、各種の電子部品や電子回路が実装され、ケーブル１４の一端部が電気的に接続される。プリント基板１３は、例えば、発振回路２５と、検出回路部３０と、を備える。発振回路２５は、検出用コイル２１と電気的に接続されるとともに、検出回路部３０と電気的に接続される。検出用コイル２１および発振回路２５は、後述する発振回路部２０を構成する。検出回路部３０は、発振回路部２０から出力される信号（出力信号）に基づいて、被検出体Ａの近接（有無）を判定するためのものである。検出回路部３０は、例えば、発振回路部２０のＱ値に基づいて、被検出体Ａの近接を判定する。

本実施形態では、プリント基板１３が、発振回路２５および検出回路部３０を備える例を示したが、これに限定されない。プリント基板１３は、表示回路、出力回路、信号増幅回路、などをさらに備えるようにしてもよい。

また、本実施形態では、図１に示すように、検出コイル２１がケース１１およびカバー１２によって覆われる、いわゆるシールド構造のセンサユニット１０の例を示したが、これに限定されない。センサユニット１０は、検出コイル２１がケース１１から被検出体Ａ側（図１において左側）に突出して露出する、いわゆる非シールド構造であってもよい。

図２は、発振回路部２０の等価回路の一例を説明する回路図である。図２に示すように、発振回路部２０は、検出用コイル２１と、発振回路２５と、を含んで構成される。発振回路２５は、検出用コイル２１を所定の発振周波数ｆ₀で発振駆動するためのものである。発振回路２５は、例えば、発振用コンデンサ（キャパシタ）２６と、バイアス回路２７と、カレントミラー回路２８と、電圧電流変換回路２９と、を含んで構成される。また、発振回路２５は、図１に示した検出回路部３０に接続される出力端子２５ａおよび出力端子２５ｂを備える。

検出用コイル２１と、発振回路２５の発振用コンデンサ２６とは、ＬＣ発振回路２０Ａを構成し、検出用コイル２１および発振用コンデンサ２６は並列に接続される。一方、バイアス回路２７は、電流源２７ａと、トランジスタＴｒ₁とを含んで構成される。ＬＣ発振回路２０Ａは、バイアス回路２７から所定のバイアス電流Ｉ_bが供給されると、図２において両矢印で示す電圧Ｖ_Tが発生する。ＬＣ発振回路２０Ａに発生した電圧Ｖ_Tは、バイアス回路２７のトランジスタＴｒ₁を介して電圧電流変換回路２９のトランジスタＴｒ₂のベースに印加される。

電圧電流変換回路２９は、トランジスタＴｒ₂に加え、抵抗器２９ａを含んで構成される。抵抗器２９ａは、トランジスタＴｒ₂のエミッタと、発振回路２５の基準電位（グラウンド）の線、つまり、図２において出力端子２５ｂに接続される線との間に、直列に接続される。また、抵抗器２９ａは、後述する帰還電流を設定する抵抗器として機能する（帰還電流設定用抵抗器の役割を果たす）。

電圧電流変換回路２９のトランジスタＴｒ₂のコレクタ電流は、カレントミラー回路２８のトランジスタＴｒ₃に流れる。当該トランジスタＴｒ₃と、トランジスタＴｒ₄とは、カレントミラー回路２８を構成する。トランジスタＴｒ₄のコレクタ電流Ｉ_fbは、前述した帰還電流としてＬＣ発振回路２０Ａに帰還（フォードバック）される。

出力端子２５ａと出力端子２５ｂとは、電圧電流変換回路２９の抵抗器２９ａの両端にそれぞれ接続される。これにより、図２において両矢印で示す抵抗器２９ａに印加される電圧Ｖ_Reが、発振回路部２０の信号（出力信号）として検出回路部３０に出力される。

以上のように構成された発振回路部２０において、ＬＣ発振回路２０Ａは所定の発振周波数ｆ₀で発振する。ここで、検出用コイル２１に所定の発振周波数ｆ₀で電流が流れると、検出用コイル２１は磁束を発生させ、センサユニット１０と被検出体Ａとの間に、磁界（磁場）を形成する。このように、センサユニット１０の発振回路部２０によって、所定の発振周波数ｆ₀で磁界が形成される。

検出用コイル２１が内部抵抗Ｒ₁およびインダクタンスＬ₁であり、発振用コンデンサ２６がキャパシタンス（静電容量）Ｃ₁である場合、ＬＣ発振回路２０Ａの共振周波数ｆ₁は以下の式（１）で表すことができる。

但し、共振周波数ｆ₁の単位は［Ｈｚ］である。

このように、発振回路部２０が、検出用コイル２１と、発振用コンデンサ２６とを含むことにより、検出用コイル２１および発振用コンデンサ２６で構成されるＬＣ発振回路２０Ａの共振周波数ｆ₁は、検出用コイル２１のインダクタンスＬ₁および発振用コンデンサ２６のキャパシタンスＣ₁を用いて式（１）で算出することができる。

本実施形態では、発振回路部２０の所定の発振周波数ｆ₀は、式（１）で算出される共振周波数ｆ₁と同一の値に設定される。しかしながら、発振回路部２０の所定の発振周波数ｆ₀は、所定の周波数であればよく、共振周波数ｆ₁と同一の値に限定されない。

また、本実施形態では、説明の簡略化のため、図２に示す発振回路部２０の例を示したが、これに限定されない。発振回路部２０は、所定の発振周波数ｆ₀で磁界を形成すればよく、例えば、発振回路部２０として、周知のコルピッツ発振回路などを用いるようにしてもよい。さらに、発振回路部２０は、自励式発振回路に限定されず、他励式発振回路であってもよい。

図３は、図１に示した被検出ユニット５０の一例を説明する回路図である。図３に示すように、被検出ユニット５０は、筐体５１と、筐体５１の内部に収容される共振回路部６０と、を備える。

共振回路部６０は、共振用抵抗器６１と、共振用コイル（インダクタ）６２と、共振用コンデンサ（キャパシタ）６３と、を含んで構成される。共振回路部６０において、共振用抵抗器６１、共振用コイル６２、および共振用コンデンサ６３は、相互に直列に接続される。

共振回路部６０は、発振回路部２０の所定の発振周波数ｆ₀に基づく共振周波数ｆ₂を有する。すなわち、共振回路６０は、発振回路部２０の所定の発振周波数ｆ₀に基づいて、共振周波数ｆ₂が設定される。具体的には、共振回路６０の共振周波数ｆ₂は、所定の発振周波数ｆ₀と同一または略同一に設定される。ここで、発振回路部２０が所定の発振周波数ｆ₀で磁界を形成し、共振回路部６０が当該所定の発振周波数ｆ₀に基づく共振周波数ｆ₂を有するので、共振回路部６０は共振する。共振する共振回路部６０には、磁界（または磁界の磁束）の変化がわずかなときでも、共振していない（非共振の）場合と比較して大きな電圧が発生する。そして、共振回路部６０により消費される電力（エネルギー）は、発振回路部２０にエネルギーの損失を与える。よって、センサユニット１０と被検出体Ａとが近づくときに、磁界（または磁界の磁束）の変化がわずかな（小さい）場合、すなわち、センサユニット１０と被検出体Ａとの検出距離Ｄが従来よりも遠い場合でも、被検出体Ａに設けられた被検出ユニット５０の共振回路部６０が発振回路部２０にエネルギー損失を与え、発振回路部２０の所定の値、例えば、Ｑ値、発振周波数、発振振幅、検出用コイル２１の内部抵抗Ｒ₁やインダクタンスＬ₁、インピーダンスなどの値が変化するので、被検出体Ａの近接を検出することが可能となる。

一方、高周波発振型の従来の近接センサは、例えば、直径ｍの検出面を有し、検出距離ｄだけ離れた被検出体の近接（有無）を検出する。従来の近接センサは、センサユニットと同様に、検出用コイルを発振回路部によって磁界を形成する。従来の近接センサと被検出体とが近づいて、被検出体が磁界の磁束の作用を受けると、電磁誘導により、当該被検出体に渦電流が流れる。この渦電流によりエネルギーの損失（渦電流損）が生じる結果、発振回路の発振が減衰し、または発振動作が停止する。このとき、発振回路の値、例えば、発振回路のＱ値が変化する。このため、従来の近接センサは、Ｑ値の変化を検出することで、被検出体の近接（有無）を検出していた。しかしながら、従来の近接センサでは、被検出体が非磁性体である場合、磁束の作用を受けても渦電流が流れないか、ほとんど流れないので、被検出体は磁性体に限定されていた。

また、従来の近接センサでは、被検出体が磁性体であっても、被検出体の種類によって検出距離ｄが異なっていた。例えば、検出面の直径ｍが１８［ｍｍ］であり、被検出体として鉄を検出する場合、鉄は渦電流損が発生しやすく、Ｑ値の変化が大きいため、検出距離ｄが７〜８［ｍｍ］のときに検出することが可能となる。一方、同じく、検出面の直径ｍが１８［ｍｍ］であり、被検出体としてアルミニウムを検出する場合、アルミニウムは渦電流損が発生しにくく、Ｑ値の変化が小さいため、検出距離ｄが３〜４［ｍｍ］のときに検出することが可能となる。

さらに、従来の近接センサでは、被検出体のサイズ（大きさまたは寸法）、検出面の形状などによっても、流れる渦電流が異なるので、その結果、検出距離ｄも変化してしまう。

これに対し、本実施形態の近接センサシステム１００は、被検出体Ａに設けられた被検出ユニット５０の共振回路部６０が、センサユニット１０の発振回路部２０にエネルギー損失を与え、当該エネルギー損失を利用し、被検出体Ａの近接を検出しているので、被検出体Ａが非磁性体であっても発振回路部２０にエネルギー損失を与えることができ、非磁性体である被検出体Ａを検出することが可能である。また、磁界（磁界の磁束）の変化により、被検出体Ａ自体ではなく、被検出体Ａに設けられた被検出ユニット５０の共振回路部６０がエネルギー損失を与えるので、検出距離Ｄは被検出体Ａの種類に依存しない（検出距離Ｄは被検出体Ａの種類によって変化しない）。さらに、被検出体Ａに設けられた被検出ユニット５０の共振回路部６０を用いることで、従来の近接センサのように電磁誘導作用または電磁誘導作用による渦電流損を利用する場合と比較して、被検出体Ａの大きさ、検出面の形状などの影響も受けにくい、という利点（メリット）を得ることができる。

図４は、図１に示した近接センサシステム１００における検出距離Ｄごとの周波数とＱ値との関係を示すグラフである。なお、図４において、横軸は発振回路部２０の周波数ｆ［Ｈｚ］を表し、縦軸は発振回路部２０のＱ値を表す。また、グラフＧ₄₀は被検出体Ａがない、すなわち、検出距離Ｄが無限遠である場合、グラフＧ₄₁は検出距離Ｄが４７［ｍｍ］である場合、グラフＧ₄₂は検出距離Ｄが３５［ｍｍ］である場合、グラフＧ₄₃は検出距離Ｄが２７［ｍｍ］である場合を示す。さらに、比較のために、近接センサシステム１００の直径Ｍと同一の検出面の直径ｍ（ｍ＝Ｍ）を有する従来の近接センサにおいて、被検出体として鉄を検出する場合であって、検出距離ｄが２０［ｍｍ］である場合に、検出の基準となる発振回路のＱ値の値（以下、しきい値という）をグラフＨ₄で示す。図４に示すように、グラフＧ₄₀では、発振回路部２０のＱ値は、比較的高い値でほぼ一定である。つまり、発振回路部２０の発振（振動）が安定していることを意味する。一方、グラフＧ₄₁ないしグラフＧ₄₃では、所定の発振周波数ｆ₀の近傍（付近）において、共振回路部６０が発振回路部２０にエネルギー損失を与え、発振回路部２０のＱ値は低下している。そして、グラフＧ₄₁ないしグラフＧ₄₃のすべてが、発振周波数ｆ₀の近傍（付近）において、グラフＨ₄で示すしきい値を下回っている。

図５は、図１に示した近接センサシステム１００における検出距離ＤとＱ値との関係を示すグラフである。なお、図５において、横軸は検出距離Ｄを表し、縦軸は発振回路部２０のＱ値を表す。また、グラフＧ₅は、発振回路部２０の周波数が所定の発振周波数ｆ₀である場合を示す。さらに、比較のために、図４の場合と同様に、近接センサシステム１００の直径Ｍと同一の検出面の直経ｍ（ｍ＝Ｍ）を有する従来の近接センサにおいて、被検出体として鉄を検出する場合であって、発振回路の周波数が同じく所定の発振周波数ｆ₀である場合をグラフＨ₅で示す。図５に示すように、グラフＨ₅で示される従来の近接センサは、検出距離Ｄが２０［ｍｍ］のときにＱ値の値がしきい値Ｑ₀以下となり、被検出体の近接を検出することが可能となる。一方、グラフＧ₅で示される近接センサシステム１００は、検出距離Ｄが２０［ｍｍ］、３５［ｍｍ］、および４７［ｍｍ］の全てにおいて、発振回路部２０のＱ値がしきい値Ｑ₀を下回る。その結果、近接センサシステム１００は、従来の近接センサの検出距離ｄである２０［ｍｍ］に対し、２倍以上の４７［ｍｍ］であっても、被検出体Ａの近接を検出することが可能となる。

図３に示す筐体５１は、非磁性材料で製造される非磁性の筐体であることが好ましい。非磁性の性質を有する材料としては、例えば、アルミニウム（ＡＬ）、ＳＵＳ３０４などのステンレス鋼、銅（Ｃｕ）、などが挙げられる。これにより、発振回路部２０が形成する磁界の磁束を共振回路部６０に作用させることが可能となるとともに、共振回路部６０を外部の環境から保護することができる。

図３に示す共振回路部６０における共振周波数ｆ₂は、共振用抵抗器６１が抵抗Ｒ₂で、共振用コイル６２がインダクタンスＬ₂で、共振用コンデンサ６３がキャパシタンス（静電容量）Ｃ₂である場合、以下の式（２）で表すことができる。

但し、共振周波数ｆ₂の単位は［Ｈｚ］である。

これにより、共振回路部６０の共振周波数ｆ₂は、共振用コイル６２のインダクタンスＬ₂と、共振用コンデンサ６３のキャパシタンスＣ₂とを用いて式（２）で算出することが可能となる。

図６は、図３に示した共振回路部６０における周波数とＱ値との関係を示すグラフである。なお、図６において、横軸は共振回路部６０の周波数ｆ［Ｈｚ］を表し、縦軸は共振回路部６０のＱ値を表す。また、グラフＧ₆₁は共振用抵抗器６１の抵抗Ｒ₂が相対的に大きい場合、グラフＧ₆₂は抵抗器６１の共振用抵抗Ｒ₂が相対的に小さい場合を示す。図６に示すように、共振回路部６０の周波数が共振周波数ｆ₂であるときに、グラフＧ₆₁はＱ値が最大値Ｑ₆₁になり、グラフＧ₆₂はＱ値が最大値Ｑ₆₂になる。グラフＧ₆₁およびグラフＧ₆₂は、共振周波数ｆ₂を中心線（中心軸）として対称または略対称な曲線である。グラフＧ₆₁は、グラフＧ₆₂の最大値Ｑ₆₂よりも小さい最大値Ｑ₆₁を有する一方、共振周波数ｆ₂の近傍（付近）を除く周波数帯でグラフＧ₆₂よりもＱ値が大きい。また、グラフＧ₆₁は、所定値Ｑ₆₀よりも大きいＱ値を有する周波数帯Δｆ₆₁が、グラフＧ₆₂の周波数帯Δｆ₆₂より広い。すなわち、グラフＧ₆₁は、Ｑ値の最大値Ｑ₆₁を小さくする一方、広い周波数帯でＱ値の大きい、広帯域化された曲線である。これに対し、グラフＧ₆₂は、共振周波数ｆ₂の近傍（付近）を除く周波数帯でグラフＧ₆₁よりもＱ値が小さい一方、グラフＧ₆₁の最大値Ｑ₆₁よりも大きい最大値Ｑ₆₂を有する。また、グラフＧ₆₂は、所定値Ｑ₆₀よりも大きいＱ値を有する周波数帯Δｆ₆₂が、グラフＧ₆₁の周波数帯Δｆ₆₁より狭い。すなわち、グラフＧ₆₂は、Ｑ値の最大値Ｑ₆₂を大きくする一方、狭い周波数帯でＱ値の大きい、狭帯域化された曲線である。ここで、共振用抵抗器６１の抵抗Ｒ₂は、前述した式（２）に示したように、共振周波数ｆ₂に影響を与えない一方、図６に示すように、共振用抵抗器６１の抵抗Ｒ₂を変えることで、共振回路部６０のＱ値の周波数特性を変化させることが可能となる。

本実施形態では、図３において、共振用抵抗器６１、共振用コイル６２、および共振用コンデンサ６３を備える共振回路部６０の例を示したが、これに限定されない。以下において、共振器回路部６０と異なる共振回路部について説明する。

図７は、図１に示した被検出ユニット５０の他の例を説明する回路図である。図７に示すように、被検出ユニット５０は、筐体５１と、筐体５１の内部に収容される共振回路部６０Ａと、を備える。

共振回路部６０Ａは、共振用抵抗器６１と、共振用コイル６２と、共振用コンデンサ６３と、を備える。共振回路部６０Ａにおいて、抵抗器６１、共振用コイル６２、および共振用コンデンサ６３は、相互に並列に接続される。すなわち、図７に示す共振回路部６０Ａは、図３に示した共振回路部６０のように直列共振回路ではなく、並列共振回路である。

共振用抵抗器６１が抵抗Ｒ₂で、共振用コイル６２がインダクタンスＬ₂で、共振用コンデンサ６３がキャパシタンス（静電容量）Ｃ₂である場合、図７に示す共振回路部６０Ａの共振周波数ｆ₂は、図３に示した共振回路部６０と同様に、前述した式（２）で表すことができる。

図８は、図１に示した被検出ユニット５０のさらに他の例を説明する回路図である。図７に示すように、被検出ユニット５０は、筐体５１と、筐体５１の内部に収容される共振回路部６０Ｂと、を備える。

共振回路部６０Ｂは、可変抵抗器６１Ｂと、共振用コイル６２と、共振用コンデンサ６３と、を備える。共振回路部６０Ｂにおいて、可変抵抗器６１Ｂ、共振用コイル６２、および共振用コンデンサ６３は、相互に直列に接続される。すなわち、図８に示す共振回路部６０Ｂは、図３に示した共振回路部６０の共振用抵抗器６１に代えて、可変抵抗器６１Ｂを備える。

ここで、図２に示した発振回路部２０において、検出用コイル２１および発振用コンデンサ２６は、素子自体の製品のばらつきや、センサユニット１０のケース１１内への取り付け（組み付け）による変動などによって、インダクタンスＬ₁およびキャパシタンスＣ₁のうちの少なくとも一方が変化することがある。その結果、ＬＣ発振回路２０Ａの共振周波数に誤差が生じ、発振回路部２０の所定の発振周波数ｆ₀を、かかる誤差を含んだＬＣ発振共振回路２０Ａの共振周波数と同一に設定する場合、所定の発振周波数ｆ₀には誤差±Δｆ₀が生じ得る。この場合、共振回路部６０が所定の発振周波数ｆ₀に基づく共振周波数ｆ₂を設定しようとして、共振周波数ｆ₂を式（１）で算出される共振周波数ｆ₁と同一に設定しても、実際の発振回路部２０の所定の発振周波数ｆ₀には誤差±Δｆ₀が存在するので、誤差±Δｆ₀が大きいと、共振周波数ｆ₂において共振回路部６０のＱ値が十分に大きくならず、被検出体Ａの近接を検出できないおそれがあった。

これに対し、図８に示す共振回路部６０Ｂは可変抵抗器６１Ｂを備えるので、所定の発振周波数ｆ₀の誤差±Δｆ₀が大きい場合に、可変抵抗器６１Ｂの抵抗Ｒ₂を相対的に大きい値に変更することで、図６に示したグラフＧ₆₁のように、共振回路部６０ＢのＱ値は、広い周波数帯でＱ値の大きい広帯域化された周波数特性にすることができ、共振回路部６０Ｂは、所定の発振周波数ｆ₀の誤差±Δｆ₀を吸収することが可能となる。一方、所定の発振周波数ｆ₀の誤差±Δｆ₀が小さい場合に、可変抵抗器６１Ｂの抵抗Ｒ₂を相対的に小さい値に変更することで、図６に示したグラフＧ₆₂のように、共振回路部６０ＢのＱ値は、狭い周波数帯でＱ値の大きい挟帯域化された周波数特性にすることができ、共振周波数ｆ₂の近傍で大きな最大値Ｑ₆₂を有することが可能となる。

図９は、図１に示した被検出ユニット５０のさらに他の例を説明する回路図である。図７に示すように、被検出ユニット５０は、筐体５１と、筐体５１の内部に収容される共振回路部６０Ｃと、を備える。

共振回路部６０Ｃは、共振用抵抗器６１と、共振用コイル６２と、可変コンデンサ６３Ｃと、を備える。共振回路部６０Ｃにおいて、共振用抵抗器６１、共振用コイル６２、および可変コンデンサ６３Ｃは、相互に直列に接続される。すなわち、図９に示す共振回路部６０Ｃは、図３に示した共振回路部６０の共振用コンデンサ６３に代えて、可変コンデンサ６３Ｃを備える。

ここで、実際の発振回路部２０において、共振周波数ｆ₁や所定の発振周波数ｆ₀の実測などの方法により、所定の発振周波数ｆ₀の誤差±Δｆ₀や所定の発振周波数ｆ₀自体が既知である場合、共振用抵抗器６１の抵抗Ｒ₂を変えるよりも、可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂を変更する方が好ましい。すなわち、可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂は、前述した式（２）に示したように、共振周波数ｆ₂を変化させるので、可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂を変更することで、図６に示したグラフＧ₆₁およびグラフＧ₆₂において、中心線（中心軸）である共振周波数ｆ₂をシフト（移動）させることができる。よって、所定の発振周波数ｆ₀の誤差がプラスである場合、可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂を小さい値に変更することで、グラフＧ₆₁およびグラフＧ₆₂をプラス方向（図６において右方向）にシフトすることができ、所定の発振周波数ｆ₀の誤差がマイナスである場合、可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂を小さい値に変更することで、グラフＧ₆₁およびグラフＧ₆₂をマイナス方向（図６において左方向）にシフトすることができる。

本実施形態では、検出回路部３０が発振回路部２０のＱ値に基づいて被検出体Ａの近接を判定する例を示したが、これに限定されない。検出回路部３０は、発振回路部２０のＱ値以外に、例えば、発振回路部２０の発振周波数、発振振幅、またはインピーダンス、もしくは、検出用コイル２１の内部抵抗Ｒ₁またはインダクタンスＬ₁などの値に基づいて、被検出体Ａの近接を判定してもよい。

このように、本実施形態における近接センサシステム１００によれば、所定の発振周波数ｆ₀で磁界を形成する発振回路部２０を備えるセンサユニット１０と、センサユニット１０の所定の発振周波数ｆ₀に基づく共振周波数ｆ₂を有する共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを備える被検出ユニット５０と、を備える。ここで、発振回路部２０が所定の発振周波数ｆ₀で磁界を形成し、共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃが当該所定の発振周波数ｆ₀に基づく共振周波数ｆ₂を有するので、共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃは共振する。共振する共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃには、磁界（または磁界の磁束）の変化がわずかなときでも、共振していない（非共振の）場合と比較して大きな電圧が発生する。そして、共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃにより消費される電力（エネルギー）は、発振回路部２０にエネルギーの損失を与える。よって、センサユニット１０と被検出体Ａとが近づくときに、磁界（または磁界の磁束）の変化がわずかな（小さい）場合、すなわち、センサユニット１０と被検出体Ａとの検出距離Ｄが従来よりも遠い場合でも、被検出体Ａに設けられた被検出ユニット５０の共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃが発振回路部２０にエネルギー損失を与え、発振回路部２０の所定の値、例えば、Ｑ値、発振周波数、発振振幅、検出用コイル２１の内部抵抗Ｒ₁やインダクタンスＬ₁、インピーダンスなどの値が変化するので、被検出体Ａの近接を検出することが可能となる。

また、近接センサシステム１００は、被検出体Ａに設けられた被検出ユニット５０の共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃが、センサユニット１０の発振回路部２０にエネルギー損失を与え、当該エネルギー損失を利用し、被検出体Ａの近接を検出しているので、被検出体Ａが非磁性体であっても発振回路部２０にエネルギー損失を与えることができ、非磁性体である被検出体Ａを検出することが可能である。また、磁界（磁界の磁束）の変化により、被検出体Ａ自体ではなく、被検出体Ａに設けられた被検出ユニット５０の共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃがエネルギー損失を与えるので、検出距離Ｄは被検出体Ａの種類に依存しない（検出距離Ｄは被検出体Ａの種類によって変化しない）。さらに、被検出体Ａに設けられた被検出ユニット５０の共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを用いることで、従来の近接センサのように電磁誘導作用または電磁誘導作用による渦電流損を利用する場合と比較して、被検出体Ａの大きさ、検出面の形状などの影響も受けにくい、という利点（メリット）を得ることができる。

さらに、近接センサシステム１００は、図４および図５に示すように、直径Ｍと同一の直径ｍ（ｍ＝Ｍ）を有する従来の近接センサと比較して、検出距離Ｄを２倍以上にすることができ、センサユニット１０のサイズ（大きさまたは寸法）を変えることなく、検出距離を長くすることができる。言い換えれば、近接センサシステム１００は、検出距離Ｄと同一の検出距離ｄ（ｄ＝Ｄ）を有する従来の近接センサと比較して、検出面の直径Ｍを小さくすることができ、センサユニット１０を小型化することができる。

また、本実施形態における近接センサシステム１００によれば、共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃは、共振用抵抗器６１または可変抵抗器６１Ｂと、共振用コイル６２と、共振用コンデンサ６３または可変コンデンサ６３Ｃと、を含む。これにより、共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの共振周波数ｆ₂は、共振用コイル６２のインダクタンスＬ₂と、共振用コンデンサ６３または可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂とを用いて式（２）で算出することが可能となる。したがって、発振回路部２０の所定の発振周波数ｆ₀に基づいて共振用コイル６２のインダクタンスＬ₂と共振用コンデンサ６３または可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂とを設定することで、所定の発振周波数ｆ₀に基づく共振周波数ｆ₂を有する共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを、容易に構成（実現）することができる。

また、共振用抵抗器６１または可変抵抗器６１Ｂの抵抗Ｒ₂は、式（２）に示すように共振周波数ｆ₂に影響を与えない一方、図６に示すように、共振用抵抗器６１または可変抵抗器６１Ｂの抵抗Ｒ₂を変えることで、共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０ＣのＱ値の周波数特性を変化させることが可能となる。したがって、共振用抵抗器６１または可変抵抗器６１Ｂの抵抗Ｒ₂を使用態様（使用目的）あわせて設定することで、共振周波数ｆ₂を変化させることなく、共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０ＣのＱ値の周波数特性を所望の特性にすることができる。

また、本実施形態における近接センサシステム１００によれば、共振回路部６０Ｂは可変抵抗器６１Ｂを備える。これにより、所定の発振周波数ｆ₀の誤差±Δｆ₀が大きい場合に、可変抵抗器６１Ｂの抵抗Ｒ₂を相対的に大きい値に変更することで、図６に示すグラフＧ₆₁のように、共振回路部６０ＢのＱ値は、広い周波数帯でＱ値の大きい広帯域化された周波数特性にすることができ、共振回路部６０Ｂは、所定の発振周波数ｆ₀の誤差±Δｆ₀を吸収することが可能となる。したがって、所定の発振周波数ｆ₀の誤差±Δｆ₀が大きい場合でも、被検出ユニット５０の共振回路部６０ＢのＱ値を大きくすることができ、被検出体Ａの近接を検出することができる。一方、所定の発振周波数ｆ₀の誤差±Δｆ₀が小さい場合に、可変抵抗器６１Ｂの抵抗Ｒ₂を相対的に小さい値に変更することで、図６に示すグラフＧ₆₂のように、共振回路部６０ＢのＱ値は、狭い周波数帯でＱ値が大きい挟帯域化された周波数特性にすることができ、共振周波数ｆ₂の近傍で大きな最大値Ｑ₆₂を有することが可能となる。したがって、磁界（または磁界の磁束）の変化がわずかな（小さい）ときでも、被検出ユニット５０の共振回路部６０ＢのＱ値を大きくすることでき、発振回路部２０のＱ値が大きく変化（低下）するので、検出距離Ｄをさらに長くすることができる。

また、本実施形態における近接センサシステム１００によれば、共振回路部６０Ｃは可変コンデンサ６１Ｃを備える。ここで、可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂は、式（２）に示すように、共振周波数ｆ₂を変化させるので、可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂を変更することで、図６に示すグラフＧ₆₁およびグラフＧ₆₂において、中心線（中心軸）である共振周波数ｆ₂をシフト（移動）させることができる。よって、所定の発振周波数ｆ₀の誤差がプラスである場合、可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂を小さい値に変更することで、グラフＧ₆₁およびグラフＧ₆₂をプラス方向（図６において右方向）にシフトすることができ、所定の発振周波数ｆ₀の誤差がマイナスである場合、可変コンデンサ６３ＣのキャパシタンスＣ₂を小さい値に変更することで、グラフＧ₆₁およびグラフＧ₆₂をマイナス方向（図６において左方向）にシフトすることができる。したがって、所定の発振周波数ｆ₀の誤差±Δｆ₀や実際の所定の発振周波数ｆ₀自体が既知である場合、共振回路部６０Ｃを共振させることでき、検出距離Ｄを維持しつつ、被検出体Ａの近接を検出することができる。

また、本実施形態における近接センサシステム１００によれば、被検出ユニット５０は、共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを収容する非磁性の筐体５１を備える。これにより、発振回路部２０が形成する磁界の磁束を共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃに作用させることできるとともに、共振回路部６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを外部の環境から保護することができる。したがって、被検出ユニット５０は、例えば、耐水性、耐油性、耐汚れ、耐振動、耐衝撃、耐熱、耐寒などの耐環境性能を向上させることができ、近接センサシステム１００は、耐環境性が要求される用途に好適に適用することができる。

また、本実施形態における近接センサシステム１００によれば、発振回路部２０が、検出用コイル２１と、発振用コンデンサ２６とを含む。ここで、検出用コイル２１に所定の発振周波数ｆ₀で電流が流れると、検出用コイル２１は磁束を発生させ、センサユニット１０と被検出体Ａとの間に、磁界（磁場）を形成する。これにより、所定の発振周波数ｆ₀で磁界を形成する発振回路部２０を、容易に構成（実現）することができる。

また、検出用コイル２１および発振用コンデンサ２６で構成されるＬＣ発振回路２０Ａの共振周波数ｆ₁は、検出用コイル２１のインダクタンスＬ₁、および発振用コンデンサ２６のキャパシタンスＣ₁を用いて式（１）で算出することができる。したがって、発振回路部２０の所定の発振周波数ｆ₀を式（１）で算出される共振周波数ｆ₁と同一に設定することで、ＬＣ発振回路２０Ａのインピーダンスを最大にすることができ、発振回路部２０の消費電力を低減させることができる。

なお、前述した各実施形態の構成は、組み合わせたり、あるいは一部の構成部分を入れ替えたりしたりしてもよい。また、本発明の構成は前述した各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。

１０…センサユニット
１１…ケース
１２…カバー
１３…プリント基板
１４…ケーブル
２０…発振回路部
２０Ａ…ＬＣ発振回路
２１…検出コイル
２１ａ…コア
２１ｂ…電磁コイル
２５…発振回路
２５ａ，２５ｂ…出力端子
２６…発振用コンデンサ
２７…バイアス回路
２８…カレントミラー回路
２９…電圧電流変換回路
３０…検出回路部
５０…被検出ユニット
５１…筐体
６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ…共振回路部
６１…共振用抵抗器
６１Ｂ…可変抵抗器
６２…共振用コイル
６３…共振用コンデンサ
６３Ｃ…可変コンデンサ
１００…近接センサシステム
Ａ…被検出体
Ｄ…検出距離
Ｍ…直径

Claims (6)

1. 被検出体の近接を検出する近接センサシステムであって、
   所定の発振周波数で磁界を形成する発振回路部を備えるセンサユニットと、
   前記被検出体に設けられ、前記所定の発振周波数に基づく共振周波数を有する共振回路部を備える被検出ユニットと、を備える、
   近接センサシステム。
2. 前記共振回路部は、抵抗器と、コイルと、コンデンサと、を含む、
   請求項１に記載の近接センサシステム。
3. 前記抵抗器は、可変抵抗器である、
   請求項２に記載の近接センサシステム。
4. 前記コンデンサは、可変コンデンサである、
   請求項２または３に記載の近接センサシステム。
5. 前記被検出ユニットは、前記共振回路部を収容する非磁性の筐体を備える
   請求項２ないし４のいずれか一項に記載の近接センサシステム。
6. 前記発振回路部は、コイルと、コンデンサと、を含む、
   請求項１ないし５のいずれか一項に記載の近接センサシステム。

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