JP5419781B2

JP5419781B2 - 近接スイッチ

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Publication number: JP5419781B2
Application number: JP2010081928A
Authority: JP
Inventors: 隆本間
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011216256A

Description

この発明は、金属等の被検出体の接近による磁界の損失を検出することによって被検出体の接近を判定する近接スイッチに関するものである。

近接スイッチの耐衝撃性と耐摩耗性を向上させる目的で、コイルを収容する筐体にステンレス材料を用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。図７は、従来の近接スイッチ１の構成を示す断面図であり、筐体全体が非磁性ステンレスで構成されている。図７において、コイル２がボビン３に巻回され、フェライトコア４の環状の溝に収納され、また、各種の電子部品が実装された基板５がフェライトコア４の裏面に接続されて、コイル部６を構成している。このコイル部６を有底円筒状のキャップ７に収容し、さらに、有底円筒状の筐体８にキャップ７ごとコイル部６を収容して、充填材１０を充填する。また、筐体８の開口部にケーブルホルダ１１を冠着し、ケーブルホルダ１１の孔からケーブル１２を引き出す。

このように構成された近接スイッチ１は、コイル部６の発振に伴い検出面の前方に磁界を形成する。この磁界に被検出体が進入すると当該被検出体に渦電流が発生するので、コイル部６の渦電流損失を検出して、被検出体の近接を判定することが可能となる。ただし、コイル部６からの交流磁束がステンレス製の検出面を透過するように、発振周波数は低く設定される。また、被検出体に渦電流が発生するのと同様に、検出面にも渦電流が発生する。

例えばコイル部６を、インダクタンス（Ｌ）成分、静電容量（Ｃ）成分及び抵抗（Ｒ）成分を有する自励振のＬＣＲ共振回路として機能させ、このＬＣＲ共振回路の共振インピーダンスＺｏｓｃの変化を検出して被検出体の近接を判定する。ここで、共振インピーダンスは下式（１）で表される。
Ｚｏｓｃ＝Ｌ／ＣＲ（１）

特開平９−３２０４２２号公報

従来の近接スイッチ１は、組立て時に、コイル部６を収容した絶縁用のキャップ７を筐体８内に仮固定して、エポキシ樹脂等の充填材１０で封止する。そのため、充填材１０の性質及び硬化時の条件によっては、硬化収縮又は応力による変形が生じ、仮固定したコイル部６がＸ軸方向にずれる場合がある。筐体８とコイル部６とのわずかな位置ずれであっても、検出面に生じる渦電流損失の影響を受けてコイル部６の抵抗Ｒが大きく変化してしまう。すると、上式（１）より共振インピーダンスＺｏｓｃも変動してしまい、検出距離が大きく変動するという課題があった。例えば筐体８とコイル部６との隙間Ａが小さくなる方向へずれると、抵抗Ｒが大きくなり、共振インピーダンスＺｏｓｃが小さくなるので、実際の検出距離が設定上の検出距離より伸びてしまう。

また、組立て時に筐体８とコイル部６のわずかな位置ずれを防止することは難しいため、一定の検出性能を有する近接スイッチを低コストかつ簡易に量産することが困難になっていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、一定の検出性能を有する近接スイッチを低コストかつ簡易に量産可能にすることを目的とする。

この発明の請求項１に係る近接スイッチは、金属の筐体と、筐体内に収容されて、被検出体の筐体検出面への近接を検出するコイル部と、筐体検出面の内壁側に設けた磁性部材であって、筐体の金属より比透磁率が高く、かつ、コイル部のインダクタンスを変化させて当該磁性部材とコイル部との隙間の変化に応じたコイル部の抵抗の変化を相殺する特性を有する磁性部材とを備えるものである。

この発明の請求項２に係る近接スイッチは、筐体を、比透磁率が実質的に１、かつ、体積抵抗率が４５×１０^−８［Ωｍ］以上の金属で構成したものである。

この発明の請求項３に係る近接スイッチは、磁性部材を、筐体検出面の内壁から突出した形状に形成したものである。

この発明の請求項４に係る近接スイッチは、磁性部材を、筐体検出面の内壁と面一に形成したものである。

この発明の請求項５に係る近接スイッチは、筐体検出面の内壁に塗布又は印刷して形成したものである。

この発明によれば、金属の筐体検出面の内壁側に磁性部材を設けてコイル部のインダクタンスを変化させ、当該磁性部材とコイル部との隙間の変化に応じたコイル部の抵抗の変化を相殺するようにしたので、一定の検出性能を有する近接スイッチを低コストかつ簡易に量産することができる。

この発明の実施の形態１に係る近接スイッチの構成を示す断面図である。実施の形態１に係る近接スイッチと従来の近接スイッチの、隙間の変化量に対するコイル部の抵抗の変化率を示すグラフである。実施の形態１に係る近接スイッチと従来の近接スイッチの、隙間の変化量に対するコイル部のインダクタンスの変化率を示すグラフである。実施の形態１に係る近接スイッチと従来の近接スイッチの、隙間の変化量に対するコイル部の共振インピーダンスの変化率を示すグラフである。実施の形態１に係る近接スイッチと従来の近接スイッチの、隙間の変化量に対する検出距離の変化率を示すグラフである。実施の形態１に係る近接スイッチと従来の近接スイッチの、隙間の変化量に対する検出感度の変化を示すグラフである。従来の近接スイッチの構成を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る近接スイッチ１ａの構成を示す断面図であり、先立って説明した図７と同一又は相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。この近接スイッチ１ａは、コイル部６と非磁性ステンレス製の筐体８との位置ずれで生じる共振インピーダンスＺｏｓｃの変化を最小限に抑えるために、検出距離安定化部材（磁性部材）２０を検出面内壁９の所定位置に固定して備える。そこへコイル部６を収容したキャップ７を仮固定し、充填材１０を注入して封止する。

筐体８は非磁性ステンレスで構成する。非磁性ステンレスの特性としては、比透磁率（同一電界強度での物質の透磁率と真空の透磁率の比）が実質的に１であって、２０℃のときの体積抵抗率が４５×１０^−８［Ωｍ］以上であることが好ましい。
また、検出距離安定化部材２０は、筐体８より比透磁率が高く、また、体積抵抗率も高い磁性体とする。ここでは、検出距離安定化部材２０の比透磁率を５０とし、コイル２と同形で厚み０．３ｍｍのリング状にする。

以下、本実施の形態１に係る近接スイッチ１ａの特性を、先立って説明した従来の近接スイッチ１（図７）の特性と比較しながら説明する。なお、従来の近接スイッチ１の隙間Ａとは、図７に示すように検出面内壁９とコイル部６との間の隙間であり、他方、本実施の形態１に係る近接スイッチ１ａの隙間Ａ’とは、図１に示すように検出距離安定化部材２０とコイル部６との間の隙間である。

図２は、隙間Ａ，Ａ’の変化量に対するコイル部６の抵抗Ｒの変化率ΔＲを示すグラフであり、横軸に隙間Ａ，Ａ’の距離［ｍｍ］、縦軸に変化率ΔＲ［％］を示す。なお、隙間Ａ，Ａ’が０．５７ｍｍのときの抵抗Ｒを基準にして変化率ΔＲを算出した。図２より、近接スイッチ１，１ａ共に隙間Ａ，Ａ’が縮まると抵抗Ｒが大きくなるが、検出距離安定化部材２０の影響により、近接スイッチ１ａの変化率ΔＲは近接スイッチ１の変化率ΔＲに比べて緩やかになる。なお、検出距離安定化部材２０の厚みを変えると、コイル部６の抵抗Ｒが変化する。

図３は、隙間Ａ，Ａ’の変化量に対するコイル部６のインダクタンスＬの変化率ΔＬを示すグラフであり、横軸に隙間Ａ，Ａ’の距離［ｍｍ］、縦軸に変化率ΔＬ［％］を示す。図３より、近接スイッチ１ａでは、磁束が検出距離安定化部材２０を積極的に通過するようになると共に、検出距離安定化部材２０は空気より磁気抵抗が小さいので検出距離安定化部材２０を通過する分だけ磁気抵抗が減少するよりことにより、磁束が増え、インダクタンスＬが大きくなる。

従って、インダクタンスＬと抵抗Ｒが同じ比率で変化するように検出距離安定化部材２０の形状（厚み、直径等）及び比透磁率を決定すれば、図４に示すように、共振インピーダンスＺｏｓｃが略一定となる。
図４は、隙間Ａ，Ａ’の変化量に対するコイル部６の共振インピーダンスＺｏｓｃの変化率ΔＺｏｓｃを示すグラフであり、横軸に隙間Ａ，Ａ’の距離［ｍｍ］、縦軸に変化率ΔＺｏｓｃ［％］を示す。従来の近接スイッチ１は既に説明したように、隙間Ａが縮まると、略一定のインダクタンスＬに対して抵抗Ｒが大きくなるので、図４に示すように共振インピーダンスＺｏｓｃが小さくなる。これに対して本実施の形態１の近接スイッチ１ａは、隙間Ａ’が縮まると、インダクタンスＬと抵抗Ｒが同じ比率で大きくなるので、共振インピーダンスＺｏｓｃがほとんど変化しない。

図５は、隙間Ａ，Ａ’の変化量に対する近接スイッチ１，１ａの検出距離ＯＰの変化率ΔＯＰを示すグラフであり、横軸に隙間Ａ，Ａ’の距離［ｍｍ］、縦軸に変化率ΔＯＰ［％］を示す。図５より、検出距離安定化部材２０を設けた場合の近接スイッチ１ａの検出距離は、隙間Ａ’の変化によらず略一定になる。この例では、隙間Ａ，Ａ’が０．５５〜０．６０ｍｍへ０．０５ｍｍ変化すると、近接スイッチ１の検出距離は４６％変化するのに対して近接スイッチ１ａの検出距離は４％の変化となる。
ただし、近接スイッチ１ａの検出距離の変化量は、検出距離安定化部材２０の形状及び比透磁率を調整することによりさらに抑制可能であり、理論上、隙間Ａ’の変化によらず検出距離を一定にすることも可能である。

図６は、隙間Ａ，Ａ’の変化量に対する近接スイッチ１，１ａの検出感度を示すグラフであり、横軸に隙間Ａ，Ａ’の距離［ｍｍ］、縦軸に被検出体がある時とない時の共振インピーダンスＺｏｓｃ比［％］を示す。図６より、近接スイッチ１に比べて、近接スイッチ１ａの方がＺｏｓｃ比が小さいことから、検出感度が向上していることが分かる。

検出距離安定化部材２０が上述のような効果を奏するので、近接スイッチ１ａの組付け時に筐体８とコイル部６とに位置ずれが生じても検出距離が変化せず、従って、近接スイッチ１ａを量産した場合に検出性能を一定に保つことができる。また、検出距離安定化部材２０を設けるだけでよいため、低コストかつ簡易である。

この検出距離安定化部材２０を形成する材料としては、プラスチックに磁性粉を混練した成型品であるプラスチック・マグネット（以下、プラマグと称す）が好ましい。形状及び電磁気的性質の自由度が高いためである。プラマグの他に、パーマロイ及びアモルファスのテープ、並びにフェライト等の材料を用いて検出距離安定化部材２０を形成してもよい。

これらの材料から形成した検出距離安定化部材２０を検出面内壁９へ固定するが、位置ずれを起こしては上述の効果が激減するため、確実に固定することが望ましい。検出距離安定化部材２０の位置ずれは、少なくともコイル部６の位置ずれよりも小さくする必要がある。

検出距離安定化部材２０の位置ずれ防止のため、封止用の充填材１０の影響を受けないように検出距離安定化部材２０の厚みを薄くし、予め検出面内壁９に接着剤で固着させる。または、検出距離安定化部材２０を磁性塗料として検出面内壁９へ塗布又は印刷して密着させ、その上からコーティング剤を塗布する。あるいは、金属粉末射出成形法（ＭＩＭ；ＭｅｔａｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇ）により、筐体８と検出距離安定化部材２０とを一体成形してもよい。

なお、図１の例では、検出距離安定化部材２０を検出面内壁９に突設したが、検出面に埋め込んで検出面内壁９と面一にしてもよい。また、検出距離安定化部材２０は、コイル部６のインダクタンスＬと抵抗Ｒを同じ比率で大きくするような形状であればよく、リング状の他、円盤、コア延長型であってもよい。また、検出距離安定化部材２０の外径がコイル部６の外径より大きくてもよい。

以上より、実施の形態１によれば、非磁性のステンレスで構成した筐体８と、筐体８内に収容されて、被検出体の検出面への近接を検出するコイル部６とを備える近接スイッチ１ａにおいて、検出面内壁９に設けた磁性部材であって、筐体８の材質より比透磁率が高く、かつ、コイル部６のインダクタンスＬを変化させて隙間Ａ’の変化に応じたコイル部６の抵抗Ｒの変化を相殺する特性を有する検出距離安定化部材２０を備える構成にした。このため、近接スイッチ１ａの組立て時に検出面内壁９とキャップ７との隙間Ａ’が位置ずれしたとしても、位置ずれによらず検出距離を安定化できるようになり、一定の検出性能を有する近接スイッチを低コストかつ簡易に量産することができる。

なお、上記実施の形態１では、筐体８を非磁性ステンレスで構成したが、これに限定されるものではなく、ステンレスと同様に強度が高く、かつ、体積抵抗率が高いチタンで構成してもよい。あるいは、筐体８を磁性ステンレスで構成することも可能である。

また、上記実施の形態１では、検出距離安定化部材２０を検出面内壁９に固定したが、これに限定されるものではなく、筐体８の検出面内壁９側の側周に固定してもよい。

また、上記実施の形態１では、コイル部６をコイル２、ボビン３、フェライトコア４及び基板５から構成するようにしたが、コイル部６は少なくとも磁界を発生させるためのコイル２を備える構成であればよく、必要に応じてその他の部材を省略してもよい。
また、フェライトコア４はフェライト製であるが、これ以外の材質で構成したコアを用いてもよい。
さらに、コイル部６を絶縁用のキャップ７に収容したが、このキャップ７を省略してもよい。

また、上記実施の形態１では、コイル部６に自励振のＬＣＲ共振回路を用いた近接スイッチ１ａを例に説明したが、水晶振動子等を備えた他励振の共振回路を用いた近接スイッチ（オールメタル検出インピーダンス要素方式）に検出距離安定化部材２０を適用することも可能であり、同様の効果がある。他励振の場合、共振インピーダンスはＺｏｓｃ＝Ｒ＋（ωＬ）^２／Ｒ（ω：角周波数）で示されるので、この式に従って、インダクタンスＬの変化量が抵抗Ｒの変化量を相殺するように検出距離安定化部材２０を設ければよい。

１，１ａ近接スイッチ
２コイル
３ボビン
４フェライトコア
５基板
６コイル部
７キャップ
８筐体
９検出面内壁
１０充填材
１１ケーブルホルダ
１２ケーブル
２０検出距離安定化部材（磁性部材）

Claims

金属の筐体と、前記筐体内に収容されて、被検出体の前記筐体検出面への近接を検出するコイル部とを備える近接スイッチにおいて、
前記筐体検出面の内壁側に設けた磁性部材であって、前記筐体の金属より比透磁率が高く、かつ、前記コイル部のインダクタンスを変化させて当該磁性部材と前記コイル部の隙間の変化に応じた前記コイル部の抵抗の変化を相殺する特性を有する磁性部材を備えることを特徴とする近接スイッチ。
筐体は、比透磁率が実質的に１、かつ、体積抵抗率が４５×１０^−８［Ωｍ］以上の金属で構成されることを特徴とする請求項１記載の近接スイッチ。
磁性部材は、筐体検出面の内壁から突出した形状に形成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の近接スイッチ。
磁性部材は、筐体検出面の内壁と面一に形成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の近接スイッチ。
磁性部材は、筐体検出面の内壁に塗布又は印刷して形成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の近接スイッチ。