JP2017129432A

JP2017129432A - 近接センサ

Info

Publication number: JP2017129432A
Application number: JP2016008366A
Authority: JP
Inventors: 昌之小泉; Masayuki Koizumi; 南和澄; Minami Wasumi; 春梅黄; Chunmei Huang; 健次本間; Kenji Honma
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2017-07-27
Also published as: WO2017126343A1

Abstract

【課題】被検出物体までの距離だけでなく方位も含めた位置を検出可能な近接センサを提供する。
【解決手段】予め定められた距離間隔Ｄで配置されたコイル１１およびコイル１２と、これらのコイル１１およびコイル１２の各受信結果（電圧）に基づいてコイル１１およびコイル１２から被検出物体Ｗまでの第１距離ｄ１および第２距離ｄ２をそれぞれ算出する第１距離算出部、第２距離算出部と、距離間隔Ｄ、第１距離ｄ１および第２距離ｄ２に基づいて被検出物体Ｗの位置を推定する位置推定部とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流磁界の作用によって金属物体の接近（距離）を判別する近接センサ（近接スイッチともいう）に関し、特に、距離だけでなく方位（方向）も含めた位置を検出可能な近接センサに関する。

従来、交流磁界の作用によって金属物体の接近（所定距離以内か否か）を判別する近接センサや近接スイッチなどが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１に開示された近接センサでは、金属製の筐体の内部に２つの検出コイル（受信コイルやサーチコイルということもある）が設けられており、非磁性体金属や磁性体などの位置検出を行う。２つの検出コイルに矩形波電圧を印加して、各々の検出コイルに流れる電流を独立して検出してから差動回路等で差を演算するのではなく、直接電流の差の値を検出することにより、Ｓ／Ｎ比が良好であり高感度な近接センサを実現できる。また、各々の検出コイルは同じ磁気特性と電気特性を備えるため、温度変化でこれらの特性が変化したとしても夫々同じように変化するので、温度変化に起因するばらつきが生じ難い。

例えば、特許文献１の図１０〜１３に示された第三の実施形態では、円筒形状でオーステナイト系ステンレス製の筐体１００１ａの内部に、検出コイルＬ１００６と参照コイルＬ１００８とが対面状態で収納されており、非磁性体金属および磁性体金属がそれぞれ所定距離以内に近接したか否かを論理値として得ることができる。つまり、この特許文献１における位置検出とは、せいぜい１次元の距離を得ることに過ぎない。

特許文献２に開示された近接スイッチでは、非磁性金属体をケース１として用いる。このケース１内には検知面側に検出コイル３、その背後に励振コイル２及び検出コイル４を設ける。励振コイル２を低周波で駆動し、物体が接近していないときの誘起電圧を互いに打ち消す方向に検出コイル３、４を直列接続する。そしてその電圧差を差動増幅回路によって検出して、磁性体金属の接近に基づく差動増幅出力の増加により磁性体金属を検出している。

この特許文献２においても、せいぜい磁性体金属までの１次元の距離が得られるに過ぎない。

特許文献３に開示された非接触検出装置でも、２つの検出コイルＬ１、Ｌ２が設けられている。第１検出コイルＬ１は被検出物体を検出するが、第２検出コイルＬ２は外来電磁波に対する補償を行うために設けられており、被検出物体による影響は受けない。つまり、２つの検出コイルＬ１、Ｌ２がともに被検出物体を検出するものではない。

特開２０１２−１８５０３３号公報特開平０７−０２９４６６号公報特開２０１４−０８６９５４号公報

例えば、検出コイルが励磁コイルも兼ねる近接センサでは、検出コイルに流れる電流で発生した磁界によって、検出範囲内に存在する金属の被検出物体に渦電流が発生する。この渦電流によって周囲に発生した渦電流磁界によって検出コイルに発生した電圧、換言すれば、被検出物体からの反射による検出コイルの電圧を検出することにより、被検出物体の近接を検出することができる。

図５は、従来の近接センサにおける１つのコイル１１による被検出物体Ｗの位置検出の原理を説明する概略断面図である。

被検出物体Ｗからの反射によるコイル１１の電圧Ｖ１は、被検出物体Ｗからコイル１１までの距離に対応するスカラー量であり、この電圧Ｖ１が一定になる距離を結ぶと、図１２に示すように、コイル１１を囲む閉曲線（例えば、やや扁平な円形の曲線）Ｌ１になる。なお、この曲線Ｌ１は、実際にはコイル１１の中心軸を回転軸とする回転曲面である。

被検出物体Ｗが、例えばコイル１１の正面方向であろうと側方であろうと、曲線Ｌ１上に存在する限り、コイル１１の電圧Ｖ１は変わらない。つまり、この電圧Ｖ１だけに基づいて被検出物体Ｗの位置検出をしても、被検出物体Ｗまでの距離が検出できるだけであって、方位は検出できないのである。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、被検出物体までの距離だけでなく方位も含めた位置を検出可能な近接センサを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の近接センサは、予め定められた距離間隔で配置された第１コイルおよび第２コイルと、前記第１コイルおよび前記第２コイルの各受信結果に基づいて前記第１コイルおよび前記第２コイルから被検出物体までの第１距離情報および第２距離情報をそれぞれ算出する距離算出部と、前記距離間隔、前記第１距離情報および前記第２距離情報に基づいて前記被検出物体の位置を推定する位置推定部とを備えることを特徴とする。

前記第１コイルおよび前記第２コイルの受信結果としては、例えば電圧が挙げられるが、これに限らない。

また、本発明の近接センサにおいて、前記距離算出部は、前記第１コイルが励磁されたときに前記第１距離情報を算出するとともに、前記第２コイルが励磁されたときに前記第２距離情報を算出し、前記位置推定部は、前記距離間隔、前記第１距離情報および前記第２距離情報に基づいて余弦定理から算出された、前記第１コイルからの前記被検出物体の第１方位と、前記第２コイルからの前記被検出物体の第２方位とによって前記被検出物体の前記位置を推定してもよい。

前記第１コイルおよび前記第２コイルは、同軸に配置されていてもよいし、同一径であってもよい。

このような構成の近接センサによれば、被検出物体までの距離だけでなく方位も含めた位置が検出可能となる。

前記被検出物体の移動経路が制約されている場合には、前記位置推定部は、前記被検出物体の前記移動経路上で前記被検出物体の前記位置を特定することができる。

本発明の近接センサによれば、被検出物体までの距離だけでなく方位も含めた位置が検出可能となる。

本発明の一実施形態に係る近接センサ１のコイル部１０による被検出物体Ｗの位置検出の原理を説明する概略断面図である。（ａ）はコイル部１０の右側を被検出物体Ｗが移動する場合を例示する概略断面図であり、（ｂ）はコイル部１０のコイル１１およびコイル１２の間を通り抜けるように被検出物体Ｗが移動する場合を例示する概略断面図である。図１と同様に被検出物体Ｗが移動する場合において、さらにコイル部１０のすぐ右側に別の金属物体Ｍが存在する状況を例示する概略断面図である。コイル部１０を備える近接センサ１の受信関連部分の概略構成を示すブロック図である。従来の近接センサにおける１つの検出コイルによる被検出物体Ｗの位置検出の原理を説明する概略断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して説明する。

（１）近接センサ１による位置検出の原理
図１は本発明の一実施形態に係る近接センサ１のコイル部１０による被検出物体Ｗの位置検出の原理を説明する概略断面図である。

この図１に示すように、近接センサ１のコイル部１０は、２つの同一円形状・同一径のコイル１１およびコイル１２を備えており、これらが距離間隔Ｄで同軸に配置されている。ただし、コイル１１およびコイル１２は、円形以外でも構わないし、同一形状や同一径に限らず、また、必ずしも同軸に配置しなくてもよい。３つ以上のコイルを備えて、それらのうちから選択された２つのコイルを使用するようにしてもよい。

この図１の例では、被検出物体Ｗは、コイル１１の前方を右側から左側へと直線的に移動する。

図５を参照して説明した従来の近接センサと同様に、コイル１１が励磁されたときの被検出物体Ｗからの反射によるコイル１１の電圧Ｖ１によって、コイル１１から被検出物体Ｗまでの第１距離ｄ１が検出できる。同様に、コイル１２が励磁されたときの被検出物体Ｗからの反射によるコイル１２の電圧Ｖ２によって、コイル１２から被検出物体Ｗまでの第２距離ｄ２が検出できる。

ここで、コイルからの距離を求める際の起点は、円形コイルの場合にはコイルの中心点としてもよいし、その他の中心軸上のいすれかの点にしてもよいし、中心軸とは関係ない点に設定してもよい。設定した起点と被検出物体との距離と、コイルでの受信結果（電圧）との関係が対応付けられればよい。そして、コイル１１とコイル１２との距離間隔Ｄについては、予め定めたコイル１１の距離検出用の起点とコイル１２の距離検出用の起点との間の距離として予め求めることができる。

距離間隔Ｄ、第１距離ｄ１および第２距離ｄ２にそれぞれ対応する直線を各辺とする三角形について、距離間隔Ｄおよび第１距離ｄ１にそれぞれ対応する２辺のなす角をθ１、距離間隔Ｄおよび第２距離ｄ２にそれぞれ対応する２辺のなす角をθ２とすると、余弦定理によって次の関係式が成立するので、θ１およびθ２を逆三角関数の演算によって求めることができる。

ｃｏｓθ１＝（Ｄ²＋ｄ１²−ｄ２²）／２・Ｄ・ｄ１
ｃｏｓθ２＝（Ｄ²＋ｄ２²−ｄ１²）／２・Ｄ・ｄ２
ここで、θ１はコイル１１の中心を基準点とした被検出物体Ｗの方位とも言える。同様に、θ２はコイル１２の中心を基準点とした被検出物体Ｗの方位とも言える。被検出物体Ｗは、これらの方位に対応する２つの直線の交点上に存在することになる。

つまり、コイル１１とコイル１２の距離間隔Ｄが既知であれば、被検出物体Ｗまでの距離だけでなく方位も含めた位置を検出することができる。ただし、３次元空間での位置を特定できるわけではない。実際にはコイル１１およびコイル１２と同軸の円周上ということが推定できるだけである。

しかし、例えば図１に示したように、被検出物体Ｗの移動経路が所定の直線上に制約されていれば、その直線との交点として被検出物体Ｗの３次元空間での位置を特定することも可能になる。

（２）近接センサ１のコイル部１０と被検出物体Ｗの移動経路の他の例
図２（ａ）はコイル部１０の右側を被検出物体Ｗが移動する場合を例示する概略断面図であり、図２（ｂ）はコイル部１０のコイル１１およびコイル１２の間を通り抜けるように被検出物体Ｗが移動する場合を例示する概略断面図である。図３は、図１と同様に被検出物体Ｗが移動する場合において、さらにコイル部１０のすぐ右側に別の金属物体Ｍが存在する状況を例示する概略断面図である。

上述したように、コイル１１とコイル１２の距離間隔Ｄが既知であれば、被検出物体Ｗまでの距離だけでなく方位も含めた位置を検出することができる。このことは、被検出物体Ｗの移動経路には依存しないので、例えば、図２（ａ）に示すように、コイル部１０の右側を被検出物体Ｗが移動する場合であっても、図２（ｂ）に示すように、コイル部１０のコイル１１およびコイル１２の間を通り抜けるように被検出物体Ｗが移動する場合であっても、被検出物体Ｗまでの距離だけでなく方位も含めた位置を検出することができる。

また、例えば、図３に示すように、コイル部１０の周囲に被検出物体Ｗ以外の別の金属物体Ｍが存在する状況も考えられる。具体的には、近接センサ１の筐体が金属製円筒状の場合であれば、その周囲に取り付けられたナットなどが挙げられるが、これに限らない。

このような状況であっても、コイル１１の電圧Ｖ１によって、コイル１１から被検出物体Ｗまでの第１距離ｄ１が検出できるとともに、コイル１２の電圧Ｖ２によって、コイル１２から被検出物体Ｗまでの第２距離ｄ２が検出できる。

ただし、金属物体Ｍの存在が第１距離ｄ１や第２距離ｄ２の検出精度などに影響を及ぼすこともあり得る。そこで、例えば、被検出物体Ｗが存在しない場合に予めコイル１１の電圧Ｖ１やコイル１２の電圧Ｖ２を取得してその初期状態を学習しておき（キャリブレーション）、その初期状態から検出した変化に基づいて被検出物体Ｗの位置を推定するようにしてもよい。

あるいは、例えば図１に示したように、被検出物体Ｗの移動経路が所定の直線上に制約されていれば、予め被検出物体Ｗの位置とコイル１１の電圧Ｖ１およびコイル１２の電圧Ｖ２との関係を取得してそのデータを記憶しておき、実際の検出時には、コイル１１の電圧Ｖ１およびコイル１２の電圧Ｖ２と記憶されたデータとに基づいて被検出物体Ｗの位置を推定するようにしてもよい。

（３）近接センサ１の受信関連部分の概略構成
図４はコイル部１０を備える近接センサ１の受信関連部分の概略構成を示すブロック図である。

この図４に示すように、近接センサ１は、受信関連部分として、予め定められた距離間隔Ｄで同軸に配置されたコイル１１およびコイル１２と、コイル１１の電圧Ｖ１から被検出物体Ｗまでの第１距離ｄ１を算出する第１距離算出部３１と、コイル１２の電圧Ｖ２から被検出物体Ｗまでの第２距離ｄ２を算出する第２距離算出部３２と、コイル１１およびコイル１２の距離間隔Ｄと第１距離ｄ１および第２距離ｄ２とに基づいて余弦定理から被検出物体Ｗの位置Ｐ（距離および方位）を推定する位置推定部３３とを備えている。

これらの他にも、近接センサ１は、コイル１１およびコイル１２を選択的に励磁する励磁回路なども備えている。

また、第１距離算出部３１と第２距離算出部３２とは必ずしも独立している必要はなく、１つの距離算出部が第１距離ｄ１および第２距離ｄ２をともに算出するようにしてもよい。このような距離算出部と位置推定部３３とを１つにまとめてもよい。コイル１１およびコイル１２の距離間隔Ｄは、予め位置推定部３３に記憶させておいてもよい。

位置推定部３３が推定する被検出物体Ｗの位置とは、被検出物体Ｗまでの距離および方位であるが、図１を参照して説明したように、３次元空間での位置を特定できるわけではない。実際には、コイル１１およびコイル１２と同軸の円周上ということが推定できるだけである。

なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の各実施形態や各実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１近接センサ
１０コイル部
１１コイル
１２コイル
３１第１距離算出部
３２第２距離算出部
３３位置推定部
Ｍ被検出物体Ｗ
Ｗ金属物体Ｍ

Claims

予め定められた距離間隔で配置された第１コイルおよび第２コイルと、
前記第１コイルおよび前記第２コイルの各受信結果に基づいて前記第１コイルおよび前記第２コイルから被検出物体までの第１距離情報および第２距離情報をそれぞれ算出する距離算出部と、
前記距離間隔、前記第１距離情報および前記第２距離情報に基づいて前記被検出物体の位置を推定する位置推定部と
を備えることを特徴とする近接センサ。
請求項１に記載の近接センサにおいて、
前記距離算出部は、前記第１コイルが励磁されたときに前記第１距離情報を算出するとともに、前記第２コイルが励磁されたときに前記第２距離情報を算出し、
前記位置推定部は、前記距離間隔、前記第１距離情報および前記第２距離情報に基づいて余弦定理から算出された、前記第１コイルからの前記被検出物体の第１方位と、前記第２コイルからの前記被検出物体の第２方位とによって前記被検出物体の前記位置を推定することを特徴とする近接センサ。
請求項１または２に記載の近接センサにおいて、
前記第１コイルおよび前記第２コイルは、同軸に配置されていることを特徴とする近接センサ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の近接センサにおいて、
前記第１コイルおよび前記第２コイルは、同一径であることを特徴とする近接センサ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の近接センサにおいて、
前記被検出物体の移動経路が制約されており、
前記位置推定部は、前記被検出物体の前記移動経路上で前記被検出物体の前記位置を特定することを特徴とする近接センサ。