JP4831686B2 - High-frequency oscillation type proximity sensor - Google Patents
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Description
本発明は、鉄等の強磁性金属のみならずアルミニウム等の非磁性金属に対しても、例えば一般的なM18サイズの円柱型近接センサにおいて、その検出距離を10mm以上とすることが可能な高周波発振型近接センサに関する。 In the present invention, not only a ferromagnetic metal such as iron but also a non-magnetic metal such as aluminum, for example, in a general M18 size cylindrical proximity sensor, the detection distance can be set to 10 mm or more. The present invention relates to an oscillation type proximity sensor.
高周波発振型近接センサは、高周波発振回路の一部を構成する検出用コイルに検出対象物が接近したとき、電磁誘導作用により上記検出用コイルのインダクタンスや損失が変化し、これに伴って高周波発振回路の発振周波数や発振振幅が変化することを利用して上記検出対象物の接近を検出するものである。この種の高周波発振型近接センサには、一般的にその検出特性が安定であることのみならず、その検出距離を十分に長く設定し得ること等が要求され、従来より種々の改良が施されている。 The high-frequency oscillation proximity sensor changes the inductance and loss of the detection coil due to electromagnetic induction when the object to be detected approaches the detection coil that forms part of the high-frequency oscillation circuit. The approach of the detection object is detected by utilizing the change in the oscillation frequency and oscillation amplitude of the circuit. In general, this type of high-frequency oscillation proximity sensor is required not only to have stable detection characteristics but also to be able to set its detection distance sufficiently long. ing.
そこで本発明者らは先に、近接センサの検出特性が、専ら、検出コイルに含まれる銅抵抗(銅損)の影響を受けることに着目し、一端を互いに接続して縒り合わせた2本のコイル導体の一方を共振回路用コイルとし、他方を銅抵抗補償用コイルとした2糸コイルを検出用コイルとして用いた自励振型の高周波発振型近接センサにおいて、2糸コイルのインダクタンスLとその誘導性の内部抵抗Riとの直列回路、およびこの直列回路の一端にそれぞれ接続される前記共振回路用コイルおよび前記銅抵抗補償用コイルの各銅抵抗Rcuとして示される前記2糸コイルの等価回路における前記各銅抵抗と前記直列回路との接続点を仮想接地することで上記各銅抵抗Rcu自体を打ち消し、その検出特性の安定化を図ることを提唱した(例えば特許文献1を参照)。 Therefore, the present inventors first focused on the fact that the detection characteristics of the proximity sensor are exclusively affected by the copper resistance (copper loss) contained in the detection coil, and connected the two ends connected to each other. In a self-excited high-frequency oscillation proximity sensor using a two-wire coil in which one of the coil conductors is a resonance circuit coil and the other is a copper resistance compensation coil as a detection coil, the inductance L of the two-wire coil and its induction In the equivalent circuit of the two-yarn coil shown as each copper resistance Rcu of the resonance circuit coil and the copper resistance compensation coil respectively connected to one end of the series circuit. It was proposed that each copper resistor Rcu itself is canceled by virtually grounding the connection point between each copper resistor and the series circuit, and the detection characteristic is stabilized (for example, Patent Document 1). Reference).
一方、高周波発振型近接センサは、鉄等の強磁性金属に比較してアルミニウムや銅等の非磁性金属に対する検出感度が悪く、その検出距離は強磁性金属の30%程度である。そこでコイルとコンデンサとからなる共振回路を一定周波数で駆動することで、強磁性金属のみならず非磁性金属をも高感度に検出し得るようにした、いわゆる他励振型の高周波発振型近接センサが提唱されている(例えば特許文献2を参照)。
しかしながら前述した特許文献2に示されるような他励振型の高周波発振型近接センサを用いても、非磁性金属に対する検出距離を強磁性金属と同程度に長くし得るだけである。具体的には従来一般的な他励振型の高周波発振型近接センサにおける、強磁性金属および/または非磁性金属からなる検出対象物の検出距離は、例えば一般的なM18サイズの円柱型近接センサにおいて高々7mm程度であり、実用上十分に長い検出距離が確保されているとは言い難い。これ故、検出対象物との衝突を確実に防ぐ上で、その検出距離を10mm以上に設定した高周波発振型近接センサの開発が強く望まれている。 However, even if a separately excited high-frequency oscillation proximity sensor as shown in Patent Document 2 described above is used, the detection distance for a nonmagnetic metal can only be made as long as that for a ferromagnetic metal. Specifically, the detection distance of a detection object made of a ferromagnetic metal and / or a non-magnetic metal in a conventional general excitation type high-frequency oscillation proximity sensor is, for example, a general M18 size cylindrical proximity sensor. It is at most about 7 mm, and it is difficult to say that a sufficiently long detection distance is practically secured. Therefore, in order to reliably prevent a collision with a detection target, development of a high-frequency oscillation type proximity sensor whose detection distance is set to 10 mm or more is strongly desired.
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、鉄等の強磁性金属のみならずアルミニウム等の非磁性金属に対しても、例えば一般的なM18サイズの円柱型近接センサにおいてその検出距離を10mm以上と十分に長くすることができ、しかも検出特性の安定した使い勝手の良い高周波発振型近接センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and the object thereof is not only to a ferromagnetic metal such as iron but also to a nonmagnetic metal such as aluminum, for example, a general M18 size cylindrical proximity. An object of the present invention is to provide a high-frequency oscillating proximity sensor that can sufficiently increase the detection distance of the sensor to 10 mm or more and that has stable detection characteristics and is easy to use.
上述した目的を達成するべく本発明に係る高周波発振型近接センサは、
<a> 一端を互いに接続して縒り合わせた2本のコイル導体の一方を共振回路用コイルとし、他方を銅抵抗補償用コイルとした2糸コイルと、
<b> この2糸コイルに並列接続されて共振回路を形成するコンデンサと、
<c> 上記共振回路を一定周波数で駆動する駆動回路と、
<d> 前記2糸コイルのインダクタンスとその誘導性の内部抵抗との直列回路、およびこの直列回路の一端にそれぞれ接続される前記共振回路用コイルおよび前記銅抵抗補償用コイルの各銅抵抗として示される前記2糸コイルの等価回路における前記各銅抵抗と前記直列回路との接続点を仮想接地する銅抵抗補償回路と
を備えたことを特徴としている。
In order to achieve the above-described object, the high-frequency oscillation type proximity sensor according to the present invention includes:
<a> A two-filament coil in which one end of two coil conductors connected together and wound together is a resonance circuit coil and the other is a copper resistance compensation coil;
<b> a capacitor that is connected in parallel to the two-thread coil to form a resonance circuit;
<c> a drive circuit for driving the resonant circuit at a constant frequency;
<d> Shown as a series circuit of the inductance of the two-wire coil and its inductive internal resistance, and each copper resistance of the resonance circuit coil and the copper resistance compensation coil respectively connected to one end of the series circuit And a copper resistance compensation circuit that virtually grounds a connection point between each of the copper resistors and the series circuit in the equivalent circuit of the two-thread coil.
好ましくは前記銅抵抗補償回路は、前記2糸コイルにおける前記共振回路用コイルおよび銅抵抗補償用コイルの他端に接続され、前記銅抵抗補償用コイルの他端に生じる電圧を反転増幅して前記共振回路用コイルの他端に負帰還する反転増幅器を含んで構成される。また前記駆動回路は、前記共振回路の固有振動周波数近傍の該固有振動周波数よりも若干低い一定周波数の電圧を発生する発振器と、この発振器が出力する上記一定周波数の電圧を電流変換して前記共振回路に印加するV-I変換器を含んで構成される。 Preferably, the copper resistance compensation circuit is connected to the other end of the resonance circuit coil and the copper resistance compensation coil in the two-thread coil, and inverts and amplifies the voltage generated at the other end of the copper resistance compensation coil. An inverting amplifier that negatively feeds back to the other end of the resonance circuit coil is included. In addition, the drive circuit includes an oscillator that generates a voltage having a constant frequency slightly lower than the natural vibration frequency in the vicinity of the natural vibration frequency of the resonance circuit, and the resonance frequency by converting the voltage of the constant frequency output by the oscillator. A V-I converter applied to the circuit is included.
更には前記発振器が出力する電圧と前記共振回路から得られる出力電圧との位相差に応じて前記コンデンサの容量を微調整する調整手段を備えることを特徴としている。 Furthermore, an adjustment means for finely adjusting the capacitance of the capacitor according to a phase difference between a voltage output from the oscillator and an output voltage obtained from the resonance circuit is provided.
上述した構成の高周波発振型近接センサによれば、2糸コイルとコンデンサとにより構成される共振回路を、その外部から一定周波数で駆動する他励振型の構成を採用することで鉄等の強磁性金属のみならずアルミニウム等の非磁性金属に対してもその検出距離を長くすることができる上、上記2糸コイルの銅抵抗(銅損)を補償し、実質的にその銅抵抗自体を打ち消すことにより上記銅抵抗の温度特性に依存する検出特性の変化を抑制すると共に、その共振条件を急峻(シャープ)にすることができる。換言すれば銅抵抗が補償された(打ち消された)前記2糸コイルとコンデンサとにより構成される共振回路の共振条件(Qスイッチ特性)を、周波数帯域が狭く、且つそのピークレベルを大きくすることができるので、検出対象物の有無による共振回路の出力の変化を大きくすることができる。この結果、検出対象物が強磁性体であるか、或いは非磁性体であるかに係わらず、その検出距離を十分に長くすることができる。例えば一般的なM18サイズの円柱型近接センサにおいてその検出距離を検出距離を12mm程度に設定することが可能となる。 According to the high-frequency oscillation type proximity sensor having the above-described configuration, a ferromagnetic circuit such as iron is used by adopting a separately-excited configuration in which a resonance circuit including a two-thread coil and a capacitor is driven at a constant frequency from the outside. The detection distance can be increased not only for metals but also for non-magnetic metals such as aluminum, and the copper resistance (copper loss) of the above-described two-thread coil is compensated, and the copper resistance itself is substantially cancelled. As a result, it is possible to suppress the change in the detection characteristic depending on the temperature characteristic of the copper resistance and to make the resonance condition sharp. In other words, the resonance condition (Q switch characteristic) of the resonance circuit composed of the two-filament coil and the capacitor in which the copper resistance is compensated (cancelled) is narrow in the frequency band and the peak level is increased. Therefore, the change in the output of the resonance circuit due to the presence or absence of the detection target can be increased. As a result, the detection distance can be made sufficiently long regardless of whether the detection object is a ferromagnetic material or a non-magnetic material. For example, in a general M18 size cylindrical proximity sensor, the detection distance can be set to about 12 mm.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る高周波発振型近接センサについて説明する。
図1はこの実施形態に係る高周波発振型近接センサの概略構成図であり、1は2本のコイル導体の一端を互いに接続して縒り合わせた2糸コイルである。この高周波発振型近接センサは上記2糸コイル1にコンデンサ2を並列接続し、2本のコイル導体の一方を共振回路用コイルとし、他方を銅抵抗補償用コイルとする共振回路3を構築し、この共振回路3を外部から一定周波数で駆動するように構成される。ちなみに前記2糸コイル1は、例えば一端を共通に接続した2本の高周波リッツ線を互いに縒り合わせたコイルL1,L2を樹脂製のボビンに巻装し、該ボビンにフェライトコアを挿入したものからなる。
Hereinafter, a high-frequency oscillation type proximity sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a high-frequency oscillation type proximity sensor according to this embodiment, and 1 is a two-thread coil in which one ends of two coil conductors are connected to each other and wound together. This high-frequency oscillation type proximity sensor has a capacitor 2 connected in parallel to the two-thread coil 1, and a
上述した2糸コイル1とコンデンサ2とからなる共振回路3を駆動する駆動回路は、水晶発振器からなり、一定周波数のパルス信号(電圧)を発振出力する発振器4と、この発振器4の出力を分周することで前記共振回路3の共振周波数の近傍であって、且つ該共振周波数よりも若干低い周波数の信号を生成する分周器5と、この分周器5の出力(電圧)を電流変換して前記共振回路3に印加するV-I変換器6とからなる。このような駆動回路にて前記共振回路3を駆動することにより他励振型の高周波発振型近接センサが構成されている。そして基本的には前記2糸コイル1への検出対象物Mの接近に伴って変化する前記共振回路3の出力(振幅)の変化をレベル検出器7にて判定することで、検出対象物Mの近接(存在)を検出するものとなっている。
The drive circuit for driving the
このような他励振型の高周波発振型近接センサにおいて、本発明においては更に前記2糸コイル1の銅抵抗を打ち消して、その検出特性の安定化を図る銅抵抗補償回路8を備えている。この銅抵抗補償回路8は、例えば前記2糸コイル1における前記銅抵抗補償用コイルL2の他端に生じる電圧を反転増幅し、その出力を前記共振回路用コイルL1の他端に負帰還する反転増幅器9として実現される。 In such a separately excited type high frequency oscillation proximity sensor, the present invention further includes a copper resistance compensation circuit 8 for canceling the copper resistance of the two-thread coil 1 and stabilizing the detection characteristics. The copper resistance compensation circuit 8 inverts and amplifies the voltage generated at the other end of the copper resistance compensation coil L2 in the two-wire coil 1, for example, and inverts the output to the other end of the resonance circuit coil L1. This is realized as an amplifier 9.
尚、このような銅抵抗補償回路8は、基本的には図2に示すように2糸コイル1のインダクタンスL(=L1=L2)とその誘導性の内部抵抗Riとの直列回路、およびこの直列回路の一端にそれぞれ接続される前記共振回路用コイルおよび前記銅抵抗補償用コイルの各銅抵抗Rcuとする等価回路として示したとき、その等価回路における前記各銅抵抗と前記直列回路との接続点Dを仮想接地する役割を担う。そして上記接続点Dの仮想接地により銅抵抗Rcuの存在自体を打ち消すことで、共振回路3における銅抵抗Rcuに起因する検出特性の不安定化を防止するものである。このような役割を果たす銅抵抗補償回路8については、前述した特許文献1に詳述される通りである。
Such a copper resistance compensation circuit 8 basically includes a series circuit of an inductance L (= L1 = L2) of the two-filament coil 1 and its inductive internal resistance Ri as shown in FIG. When shown as an equivalent circuit having each copper resistance Rcu of the resonance circuit coil and the copper resistance compensation coil respectively connected to one end of a series circuit, the connection of the copper resistance and the series circuit in the equivalent circuit The point D is virtually grounded. The presence of the copper resistor Rcu itself is canceled by the virtual ground at the connection point D, thereby preventing the detection characteristics from becoming unstable due to the copper resistor Rcu in the
ところで上述した如くして2糸コイル1における銅抵抗を補償した場合、銅抵抗Rcuを打ち消した分、前記共振回路3の共振特性を、その共振周波数の幅が狭く、且つそのピークレベルが大きい急峻(シャープ)なものとすることができる。即ち、図3に前述した共振回路3における2糸コイル1の銅抵抗を補償しない場合の共振特性(x,y,z)と、銅抵抗を補償した場合の共振特性(X,Y,Z)とを対比して示すように、銅抵抗補償によってその共振特性を急峻(シャープ)にすることができる。尚、特性(x,X)は検出対象物Mが存在しないときの共振特性を示しており、特性(y,Y)は検出対象物Mが鉄等の強磁性体であるときの共振特性、そして特性(z,Z)は検出対象物Mがアルミニウムや銅等の非磁性体であるときの共振特性を示している。
By the way, when the copper resistance in the two-thread coil 1 is compensated as described above, the resonance characteristic of the
より具体的には銅抵抗補償回路8によって2糸コイル1の銅抵抗Rcuを打ち消すことによって上記2糸コイル1とコンデンサ2とにより構成される共振回路3のQ値が高くなる。そして2糸コイル1の実質的な抵抗成分が小さくなる分、その共振周波数における振幅(レベル)が大きくなり、また上記共振周波数からのずれに対してその振幅(レベル)が急激に小さくなる。つまり銅抵抗補償により共振回路3の共振特性をよりシャープにすることが可能となる。
More specifically, when the copper resistance Rcu of the two-yarn coil 1 is canceled by the copper resistance compensating circuit 8, the Q value of the
このような駆動条件下における共振回路3の特性Xに対して2糸コイル1に鉄等の強磁性体が近付くと2糸コイル1のインピーダンスが低下し、図3に特性Yとして示すように振幅自体が小さくなるので、上記共振周波数の変化をモニタすることで強磁性体の存在を高感度に検出することができる。また2糸コイル1にアルミ等の非磁性体が近付くと、非磁性体に生じる渦電流によって磁束が打ち消され、2糸コイル1のインダクタンスが低下するので、図3に特性Zとして示すようにその共振点(共振周波数)が変化する。従ってそのときの共振周波数での振幅ではなく、前述した駆動周波数での振幅をモニタすることで非磁性体の存在を高感度に検出することが可能となる。
When the ferromagnetic material such as iron comes close to the double-threaded coil 1 with respect to the characteristic X of the
従って上述した如く共振回路3をその共振周波数近傍の一定周波数で駆動し、この駆動周波数における共振回路3の出力(振幅)をモニタすることによって、検出対象物Mが強磁性体であっても、或いは非磁性体であってもその近接(存在)を高感度に検出することが可能となる。ちなみに本発明者らの実験によれば、例えば一般的なM18サイズの円柱型近接センサにおいて、強磁性体である鉄に対する検出距離を7mmから12mmと長く設定することが可能となり、また非磁性体であるに銅やアルミニウムに対する検出距離を2mmから12mmと長く設定することが可能となった。
Therefore, as described above, the
ところで上述ように他励振型の高周波発振型近接センサを構成した場合、その共振特性(Qスイッチ特性)がシャープになることは前述した通りであるが、このシャープな共振特性を活かして検出対象物Mの近接を検出するには、共振回路3の駆動周波数と該共振回路3の共振周波数とを精度良く合わせ込む必要がある。その調整法としては、例えば発振器4の発振周波数自体を調整したり、或いは分周器5による分周比を調整しても良いが、一般的にはコンデンサ2の容量を微調整することか実用的である。
By the way, as described above, when the separately excited high frequency oscillation proximity sensor is configured as described above, the resonance characteristic (Q switch characteristic) becomes sharp as described above. In order to detect the proximity of M, it is necessary to match the driving frequency of the
この場合には、例えば代表的なサンプルを用い、調整器9にて強磁性金属と非磁性金属とを長距離で、且つ等距離で検出し得るような前記分周器5の出力と共振器3の出力との位相差φの最適値を予め求めておく。そして量産品においては、前記分周器5の出力と共振器3の出力との位相差φが上記位相差の最適値となるように前記コンデンサ2の容量を微調整するようにすれば良い。即ち、共振回路3の駆動周波数と該共振回路3の共振周波数にずれがあると、上記駆動周波数における共振回路3のインピーダンスの虚数成分に依存して、図4(a)に示すように分周回路5の出力(矩形波)V1と共振回路3の出力(正弦波)V2との間に位相のずれφが生じる。このずれ、即ち位相差φには、正確にはV-I変換器での位相回転の影響も含まれる。そのため、上記位相差φの最適値は回路構成ごとに異なる値となる。しかしこの位相差φを参照することによって、前記コンデンサ2の容量の調整を容易に、且つ正確に行うことが可能となる。
In this case, for example, a representative sample is used, and the output of the
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば2糸コイル1の銅抵抗補償については、共振回路3の出力を位相制御して銅抵抗補償用コイルに負帰還することの可能である。また実施形態においては分周器5を用いて発振器4の出力を分周して共振回路3を駆動する一定周波数の電圧信号を生成したが、VCO(周波数可変制御型発振器)を用いて一定周波数の電圧信号を発生させたり、或いはPLL回路(フェーズ・ロック・ループ回路)を用いて一定周波数の電圧信号を発生させることも可能である。更には共振回路3に対する共振条件の微調整手段も実施形態に特定されないことは言うまでもない。要は本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, for copper resistance compensation of the two-thread coil 1, the output of the
1 2糸コイル
2 コンデンサ
3 共振回路
4 発振器
5 分周器
6 V-I変換器
7 レベル検出器
8 銅抵抗補償回路
9 調整器(共振周波数調整)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 2 Yarn coil 2
Claims (4)
この2糸コイルに並列接続されて共振回路を形成するコンデンサと、
上記共振回路を一定周波数で駆動する駆動回路と、
前記2糸コイルのインダクタンスとその誘導性の内部抵抗との直列回路、この直列回路の一端にそれぞれ接続される前記共振回路用コイルおよび前記銅抵抗補償用コイルの各銅抵抗として示される前記2糸コイルの等価回路における前記各銅抵抗と前記直列回路との接続点を仮想接地する銅抵抗補償回路と
を具備したことを特徴とする高周波発振型近接センサ。 One of two coil conductors connected at one end to each other and wound together is a two-strand coil having a resonance circuit coil and the other being a copper resistance compensation coil;
A capacitor connected in parallel to the two-thread coil to form a resonant circuit;
A drive circuit for driving the resonant circuit at a constant frequency;
A series circuit of an inductance of the two-yarn coil and its inductive internal resistance, the two-yarn shown as each copper resistance of the resonance circuit coil and the copper resistance compensating coil respectively connected to one end of the series circuit A high-frequency oscillation type proximity sensor comprising: a copper resistance compensation circuit that virtually grounds a connection point between each of the copper resistors and the series circuit in an equivalent circuit of a coil.
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