JP6458742B2 - 近接センサ - Google Patents

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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１２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、予め定められた位置関係に配置された２以上のコイルと、これら前記コイルのうち複数のコイルの受信結果に基づいて、前記受信結果を得たコイルから被検出物体までの各距離情報をそれぞれ算出する距離算出部と、前記各距離情報および前記位置関係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。
例えば、３以上のコイルがある場合、距離算出部は、それらのうちの２つのコイルの受信結果に基づいて被検出物体までの各距離情報をそれぞれ算出してもよい。
また、本発明の近接センサにおいて、前記各コイルは、２以上の異なる組み合わせで選択的に励磁され、前記距離算出部は、前記各コイルの選択的励磁毎に、複数のコイルから前記被検出物体までの前記各距離情報をそれぞれ算出し、前記位置推定部は、前記位置関係および前記選択的励磁毎に算出された前記各距離情報に基づいて前記被検出物体の前記位置を推定してもよい。
前記各コイルは、同軸に配置されていてもよいし、同一平面上に配置されていてもよい。または、同軸で且つ同一平面上に配置されていてもよい。
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。
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）〜（ｄ）は近接センサ１のコイル部１０が異なる２通りのパターンで励磁された場合のそれぞれの磁界と被検出物体Ｗとの位置関係を示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はコイル部１０の第１変形例として、３つのコイル１１〜１３を有するコイル部１０Ａが異なる３通りのパターンで励磁された場合のそれぞれの磁界を示す概略断面図である。 コイル部１０に用いるコアの具体例を示す概略断面図である。 （ａ）、（ｂ）はコイル部１０Ａに用いるコアの具体例をそれぞれ示す概略断面図である。 （ａ）、（ｂ）はコイル部１０の第２変形例であるコイル部１０Ｂおよび第３変形例であるコイル部１０Ｃをそれぞれ示す概略断面図である。 （ａ）、（ｂ）はコイル部１０の具体的な励磁パターンをそれぞれ示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はコイル部１０Ｂの具体的な励磁パターンをそれぞれ示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｇ）はコイル部１０Ａの具体的な励磁パターンをそれぞれ示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｇ）はコイル部１０Ｃの具体的な励磁パターンをそれぞれ示す概略断面図である。 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は、円形のコイル１１と、このコイル１１と同軸に配置された直径がより大きな円形のコイル１２とを有するコイル部１０を備えている。なお、これらのコイル１１、１２は、配置面を少しずらしてそれぞれの断面を図示してあるが、実際には同一平面上に配置されている。ただし、同一平面上の配置に限るわけではない。
図１２を参照して説明した従来の近接センサと同様に、被検出物体Ｗからの反射によるコイル１１の電圧Ｖ１によって被検出物体Ｗまでの距離が検出できるので、この電圧Ｖ１が一定になる距離を結ぶと、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。また、被検出物体Ｗからの反射によるコイル１２の電圧Ｖ２によっても被検出物体Ｗまでの距離が検出できるが、この電圧Ｖ２が一定になる距離を結ぶと、コイル１２を囲む閉曲線（例えば、横長ピーナッツに似た形状の曲線）Ｌ２になる。なお、曲線Ｌ１だけでなく曲線Ｌ２も、実際にはコイル１１、１２の中心軸を回転軸とする回転曲面である。
被検出物体Ｗは曲線Ｌ１上に存在し、且つ曲線Ｌ２上にも存在するのであるから、被検出物体Ｗは曲線Ｌ１、Ｌ２の交点上に存在することになる。つまり、コイル１１、１２の位置関係が既知であれば、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。図中でも２つの交点が存在するように、実際にはコイル１１、１２と同軸でこれらの交点を通る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、被検出物体Ｗの移動方向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。
方位も含めた位置や３次元空間での位置が特定できることで、近接センサとしては、例えば、コイルの中心軸の方向に存在する金属物体に対してのみ出力（検出動作）を行い、コイルの半径方向に存在する金属物体に対しては出力（検出動作）を行わないことも可能となる。つまり、コイルの中心軸の方向に存在する金属物体は被検出物体として検出し、コイルの半径方向に存在する金属物体はセンサの取り付け治具などとして無視することができる。これにより、近接センサの固定に金属製の取り付け治具を用いた場合と用いない場合とで、センサの出力（検出動作）が変化することを回避できる。そして、近接センサの取り付けの利便性を向上することができる。
（２）近接センサ１のコイル部１０の励磁パターン
図２（ａ）〜（ｄ）は近接センサ１のコイル部１０が異なる２通りのパターンで励磁された場合のそれぞれの磁界と被検出物体Ｗとの位置関係を示す概略断面図である。なお、それぞれの図の左端がコイル１１、１２の中心軸の位置に対応しており（中心軸自体の図示は省略）、コイル１１、１２の右半分のみを示している。また、励磁パターン（単にパターンともいう）とは、例えば、励磁するコイルの組み合わせ、励磁する電流の向きの組み合わせ（それぞれのコイルで右回りの電流と左回りの電流とがある）、励磁電流の大きさの組み合わせ（それぞれのコイルの電流の大きさを何段階かに変化させる）などのことであるが、これらに限らない。
図１に示した近接センサ１による位置検出の原理では、最も単純に、コイル部１０のコイル１１、１２を１つずつ励磁し、コイル１１、１２それぞれの電圧Ｖ１、Ｖ２を求めていた。このような励磁パターンに限らず、例えば、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、コイル１１、１２の両方を同時に励磁する場合（図２（ａ）、（ｃ））と、内側のコイル１１のみを励磁する場合（図２（ｂ）、（ｄ））とで異なるパターンの励磁空間を形成して、コイル１１、１２それぞれの電圧Ｖ１、Ｖ２を求めてもよい。
図２（ｂ）と図２（ｄ）はコイル１１のみを励磁する励磁状態を示している。図２（ｂ）と図２（ｄ）とを比較した場合、図中の被検出物体Ｗの位置は異なっているが、被検出物体Ｗに鎖交する磁界の大きさが同程度であるため、反射によってコイル１１に生じる電圧Ｖ１は図２（ｂ）の場合と図２（ｄ）の場合で同程度となる。次に、図２（ａ）と図２（ｃ）はコイル１１とコイル１２を互いに逆向きの電流で励磁する励磁状態を示している。図２（ａ）（右上）と図２（ｃ）とを比較した場合、被検出物体Ｗの位置に応じて鎖交する磁界の大きさが異なっているため、反射によってコイル１１に生じる電圧Ｖ１は図２（ａ）の場合と図２（ｂ）の場合で異なる。
図２（ａ）と図２（ｂ）はコイルの中心軸方向の被検出物体Ｗを検出している。この図２（ａ）と図２（ｂ）とを比較した場合、コイル１１のみを励磁する図２（ｂ）に比べ、図２（ａ）のほうがＶ１は増加する。また、図２（ｃ）と図２（ｄ）はコイルの半径方向の被検出物体Ｗを検出している。この図２（ｃ）と図２（ｄ）とを比較した場合は、コイル１１のみを励磁する図２（ｄ）に比べ、図２（ｃ）のほうがＶ１は減少する。つまり、励磁パターンを変えた際の受信電圧の変化を検出することで、被検出物体Ｗの方位に関する情報を得られたということになる。
ここではコイル１１での電圧Ｖ１についてのみ説明したが、励磁パターンを変えた際のコイル１２での電圧Ｖ２の値も用いることで被検出物体Ｗの位置検出の精度が高まる。つまり、コイル１１、１２の位置関係が既知であれば、コイル部１０の２コイル（コイル１１、１２の両方）を励磁したときにコイル１１から取得された受信信号１（電圧Ｖ１）およびコイル１２から取得された受信信号２（電圧Ｖ２）と、１コイル（コイル１１）のみを励磁したときにコイル１１から取得された受信信号３（電圧Ｖ１）およびコイル１２から取得された受信信号４（電圧Ｖ２）とに基づいて、方位や位置に重み付けを行うことで、被検出物体Ｗの位置情報を高精度に求めることができる。
なお、近接センサ１の具体的構成としては、各パターンによるコイル１１、１２の励磁と受信信号の取得とは同時に行ってもよいし、時分割で行ってもよい。なお、コイル１１、１２のいずれかを励磁しない場合であっても、コイル１１、１２両方の受信信号を常に取得してもよいし、受信信号を取得する時間を限定してもよい。
（３）コイル部１０の第１変形例（コイル部１０Ａ）と励磁パターン
図３（ａ）〜（ｃ）はコイル部１０の第１変形例として、３つのコイル１１〜１３を有するコイル部１０Ａが異なる３通りのパターンで励磁された場合のそれぞれの磁界を示す概略断面図である。なお、それぞれの図の左端がコイル１１〜１３の中心軸Ｘの位置に対応しており（図３（ｂ）、（ｃ）では中心軸Ｘ自体の図示を省略）、コイル１１〜１３の右半分のみを示している。
近接センサ１のコイル部１０のコイルは２つに限るわけではなく、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、コイル１１、１２に加えて、これらと同軸に配置された直径がより大きな円形のコイル１３とを有してもよい。
そして、例えば、コイル部１０Ａのコイル１１〜１３のすべてを同時に励磁する場合（図３（ａ））と、内側２つのコイル１１、１２を励磁する場合（図３（ｂ））と、最も内側のコイル１１のみを励磁する場合（図３（ｃ））とで異なるパターンの励磁空間を形成して、コイル１１〜１３それぞれの電圧Ｖ１〜Ｖ３を求めてもよい。このようにしても、方位に重み付けを行った被検出物体Ｗの位置情報を求めることができる。
（４）コイル部１０、１０Ａやコアの具体例やさらなる変形例
図４はコイル部１０に用いるコアの具体例を示す概略断面図である。図５（ａ）、（ｂ）はコイル部１０Ａに用いるコアの具体例をそれぞれ示す概略断面図である。図６（ａ）、（ｂ）はコイル部１０の第２変形例であるコイル部１０Ｂおよび第３変形例であるコイル部１０Ｃをそれぞれ示す概略断面図である。
コイル１１、１２を有するコイル部１０には、図４に示すように、コイル１１の内側とコイル１１、１２の間とに入るコア２１を用いてもよい。
また、コイル１１〜１３を有するコイル部１０Ａには、図５（ａ）に示すように、コア２１を用いてもよいし、図５（ｂ）に示すように、コイル１１の内側とコイル１１、１２の間とコイル１２、１３の間とに入るコア２１Ａを用いてもよい。
コイル部１０の第２変形例としては、図６（ａ）に示すように、２つのコイル１１を中心軸方向に配置したコイル部１０Ｂも考えられる。この場合、２つのコイル１１の内側に入るコア２２を用いてもよい。
また、コイル部１０の第３変形例として、図６（ｂ）に示すように、３つのコイル１１を中心軸方向に等間隔で配置したコイル部１０Ｃも考えられる。この場合、３つのコイル１１の内側に入るコア２２Ａを用いてもよい。
（５）コイル部１０〜１０Ｃの具体的な励磁パターン
図７（ａ）、（ｂ）はコイル部１０の具体的な励磁パターンをそれぞれ示す概略断面図である。図８（ａ）〜（ｃ）はコイル部１０Ｂの具体的な励磁パターンをそれぞれ示す概略断面図である。図９（ａ）〜（ｇ）はコイル部１０Ａの具体的な励磁パターンをそれぞれ示す概略断面図である。図１０（ａ）〜（ｇ）はコイル部１０Ｃの具体的な励磁パターンをそれぞれ示す概略断面図である。なお、これらの図中の実線が励磁するコイル、破線が励磁しないコイルをそれぞれ示している。
コイル部１０の具体的な励磁パターンとしては、図２を参照して既に説明したように、例えば、コイル１１、１２の両方を同時に励磁する場合（図７（ａ）参照）と、内側のコイル１１のみを励磁する場合（図７（ｂ）参照）とが考えられるが、他にも、外側のコイル１２のみを励磁するパターンもあり得る。
コイル部１０Ｂの具体的な励磁パターンとしては、図８（ａ）〜（ｃ）に示す３通りのパターンが考えられる。
コイル部１０Ａの具体的な励磁パターンとしては、例えば、図９（ａ）〜（ｇ）に示す７通りのパターンが考えられる。
コイル部１０Ｃの具体的な励磁パターンとしては、図１０（ａ）〜（ｇ）に示す７通りのパターンが考えられる。
（６）近接センサ１の受信関連部分の概略構成
図１１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１１に示すように、近接センサ１は、受信関連部分として、予め定められた位置関係に配置されたコイル１１、１２と、コイル１１の電圧Ｖ１から被検出物体Ｗまでの第１距離情報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距離情報ｄ２を算出する第２距離算出部３２と、コイル１１、１２の位置関係と第１距離情報ｄ１および第２距離情報ｄ２とに基づいて被検出物体Ｗの位置（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、１２を選択的に励磁する励磁回路なども備えている。この励磁回路によって、コイル１１、１２は異なるパターンで励磁される。
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距離情報ｄ１および第２距離情報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、１２の位置関係は、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、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、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ
コイル部
１１、１２、１３
コイル
２１、２１Ａ、２２、２２Ａ
コア
３１ 第１距離算出部
３２ 第２距離算出部
３３ 位置推定部

Claims (3)

  1. 予め定められた位置関係に配置された２以上のコイルと、
    これら前記コイルのうち複数のコイルの受信結果に基づいて、前記受信結果を得たコイルから被検出物体までの各距離情報をそれぞれ算出する距離算出部と、
    前記各距離情報および前記位置関係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、
    前記各コイルは、２以上の異なる組み合わせで選択的に励磁され、
    前記距離算出部は、前記各コイルの選択的励磁毎に、複数のコイルから前記被検出物体までの前記各距離情報をそれぞれ算出し、
    前記位置推定部は、前記位置関係および前記選択的励磁毎に算出された前記各距離情報に基づい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。
  2. 請求項１に記載の近接センサにおいて、
    前記各コイルは、同軸に配置されていることを特徴とする近接センサ。
  3. 請求項１または２に記載の近接センサにおいて、
    前記各コイルは、同一平面上に配置されていることを特徴とする近接センサ。
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