JP6493191B2

JP6493191B2 - 近接センサ

Info

Publication number: JP6493191B2
Application number: JP2015243318A
Authority: JP
Inventors: 昌之小泉; 南和澄; 健次本間
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2035-12-14
Also published as: JP2017111871A

Description

本発明は、交流磁界の作用によって金属物体の接近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、基板（プリント基板）にパターンを描くことで形成されたパターンコイル（プリント基板コイルともいう）を用いた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に開示された近接スイッチは、金属製ケースによって本体ケースが全長にわたって被覆されたシールドタイプであり、検出コイルからの磁束が弱められてしまうので、非シールドタイプの近接スイッチと比較すると検出距離が短くなる。そこで、検出感度を高めるため、検出コイルおよびコアを含む検出部の外側などに検出コイルからの磁束を検出方向に誘導するための磁束誘導部材が配備されている。

一方、特許文献２に開示された半導体装置では、近接スイッチの検出コイルとして、基板に単層または多層にわたって配置された渦巻状の金属配線（パターンコイル）が使用される。

また、特許文献３に開示された近接スイッチでも、蛇腹状に折り畳み可能な基板上で複数のコイルパターンにより検出コイルが形成されている。しかも、各コイルパターンの折れ目線上には一対の短絡パターン（一対の端子）が備えられてあり、この一対の短絡用端子は当初接続されていない。したがって、被検出物体に応じて任意な折れ目線でコイルパターンを切断する時、コイルパターンの切断端面には一対の短絡用端子が開放状態のまま臨出する。

特開２００４−１１９３７０号公報特開平０７−０３７４７６号公報特開昭６２−１９０６２８号公報

検出感度を高めるには、検出コイルのＱ値を高める必要があり、それには検出コイルの巻数（パターンコイルであればコイルパターンのターン数）を多くしなければならない。検出コイルの巻数を多くすることで検出コイル全体としてのＱ値は上がり、検出感度が高まるからである。

図７（ａ）は通常の巻線コイル４０の概略断面図であり、図７（ｂ）はその巻線４１の部分拡大図である。図８（ａ）はプリント基板に形成されたパターンコイル５０の概略断面図であり、図８（ｂ）はそのコイルパターン５１の部分拡大図である。

図７（ａ）に示すような通常の巻線コイル４０では、図７（ｂ）に示すように、線間を密にして巻線４１を巻くことができる。

これに対して、特許文献２や特許文献３に開示されたパターンコイルを近接センサの検出に使う場合、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、パターンコイル５０のコイルパターン５１の間隔が疎になってしまう。

近接センサ全体のサイズなどの制約があるため、１つのパターンコイルのターン数はあまり増やせないが、多層基板の各層に形成したパターンコイルを直列接続して用いることも考えられる。物理的配置としては、被検出物体に近いターンと遠いターンとが存在することになる。

図９は１ターン毎のワークによる抵抗変化率を示すグラフである。

図９に示すように、被検出物体の検出感度を抵抗変化率としてターン毎に見ると、被検出物体に最も近い１層目のターンで最大であり、被検出物体から遠くなる２〜４層目のターンでは順に小さくなっている。また、各層ともに、内側のターンが外側のターンより検出感度が高い傾向も見られる。近接センサによる被検出物体の検出距離は、例えば２〜５ｍｍ程度なので、基板の厚み（１ｍｍ程度）や基板内のパターンコイルの位置（前方なのか後方なのかなど）が検出感度に与える影響は比較的大きいからである。

例えば、コイル後方外側に比べてコイル前方内側は、金属ワークＷに対する検出感度が約５０％高い。なお、ここでの「前方」とは金属ワークＷに近い側であり、「後方」とは金属ワークＷから遠い側を意味している。

検出コイルとして機能する直列接続されたパターンコイル全体での電圧出力はその平均となるので、被検出物体による電圧出力変化の割合は、最も近いターン単体での割合よりも小さな割合として出てくることになる。結果として、従来の近接センサよりも検出感度が低くなり、たとえ特許文献１に開示されたような対策を行っても十分な検出感度が得られなかった。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、多層基板に形成されたパターンコイルを用いながら、高い検出感度を備えた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、多層基板の２層以上にそれぞれ形成されたパターンコイルが直列接続されることで前記多層基板に形成されたコイルと、前記コイルに接続され、前記コイルの全体を励磁する励磁回路と、前記コイルの一端と途中とに接続され、これらの間の電圧またはインピーダンスの変化に基づいて被検出物体を検出する検出回路とを備えることを特徴とする。

ここで、前記パターンコイルは、多層基板の各層にパターンを描くことで形成される。前記コイルの前記一端は、前記パターンコイルのうちで前記被検出物体に最も近くなる位置の前記多層基板の層に形成された第１パターンコイルの一端（例えば内側端）としてもよい。より具体的な構成としては、前記検出回路が接続される前記コイルの前記一端および前記コイルの前記途中の部分は、前記第１パターンコイルの両端であってもよい。または、前記第１パターンコイルの前記内側端と途中とに前記検出回路が接続されていてもよい。

このような構成の近接センサによれば、各パターンコイルが直列接続されて形成されたコイル全体が励磁されるため、被検出物体の検出のために発生する磁界の強度は一般的な方法と同程度に保たれる。一方、被検出物体に最も近い側の第１パターンコイルのみが検出のために使用されるので、その電圧出力信号の絶対値は小さくなる。しかし、被検出物体の有無による電圧出力信号の変化率は大きくなり、結果として信号Ｓ／Ｎ比が高くなるので、検出感度が向上する。

また、多層基板に形成されたパターンコイルの場合、針金のような線状のコイルと違い、パターンコイル途中での端子も同じく基板に形成でき、配線しやすいので、本発明の実施も容易である。

本発明の近接センサによれば、各パターンコイルが直列接続されて形成されたコイル全体が励磁されるため、被検出物体の検出のために発生する磁界の強度は一般的な方法と同程度に保たれる。一方、被検出物体に最も近い側の第１パターンコイルのみが検出のために使用されるので、その電圧出力信号の絶対値は小さくなる。しかし、被検出物体の有無による電圧出力信号の変化率は大きくなり、結果として信号Ｓ／Ｎ比が高くなるので、検出感度が向上する。

本発明の一実施形態に係る近接センサ１の概略構成の説明図である。近接センサ１のパターンコイル基板３０によって金属ワークＷを検出するときの位置関係を示す概略断面図である。近接センサ１の先端部分の概略構成を示す断面図である。近接センサ１の効果を確認するシミュレーション用回路１Ａの概略構成を示すブロック図である。（ａ）はシミュレーションの条件を示す一覧表であり、（ｂ）はパターンコイル基板３０のコイル部分の拡大断面図である。シミュレーションの結果を示す比較表である。（ａ）は通常の巻線コイル４０の概略断面図であり、（ｂ）はその巻線４１の部分拡大図である。（ａ）はプリント基板に形成されたパターンコイル５０の概略断面図であり、（ｂ）はそのコイルパターン５１の部分拡大図である。１ターン毎のワークによる抵抗変化率を示すグラフである。

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の概略構成
図１は本発明の一実施形態に係る近接センサ１の概略構成の説明図である。図２は近接センサ１のパターンコイル基板３０によって金属ワークＷを検出するときの位置関係を示す概略断面図である。

図１に示すように、近接センサ１では、４層基板であるパターンコイル基板３０にコイル３１が形成されている。このコイル３１は、パターンコイル基板３０の各層３０ａ〜３０ｄ（図２参照）にそれぞれ形成されるとともに直列接続された第１パターンコイル３１ａ、第２パターンコイル３１ｂ、第３パターンコイル３１ｃ、および第４パターンコイル３１ｄから成っている。また、近接センサ１は、コイル３１に接続され、励磁電流を供給する励磁回路３３と、パターンコイル３１ａ〜３１ｄの中で金属ワークＷに最も近くなる位置に配置される第１パターンコイル３１ａの両端３１ａ１、３１ａ２に接続され、第１パターンコイル３１ａでの電圧または抵抗（インピーダンス）の変化に基づいて被検出物体である金属ワークＷを検出する検出回路３４とを備えている。

パターンコイル基板３０は、図２に示すように、４層３０ａ〜３０ｄからなる多層基板（４層基板）である。ただし、４層基板に限るわけではない。

各パターンコイル３１ａ〜３１ｄは、パターンコイル基板３０の各層３０ａ〜３０ｄに銅などの導電体でパターン（配線）を描くことで形成されたコイルである。パターンコイル３１ａ〜３１ｄ同士や励磁回路３３および検出回路３４とは、パターンコイル基板３０に形成されたスルーホールまたはビアなどによって電気的に連結または接続されている。

励磁回路３３の電圧出力は、第１パターンコイル３１ａの一端３１ａ１（第２パターンコイル３１ｂと接続されない方）に接続されている。第４パターンコイル３１ｄの一端３１ｄ１（第３パターンコイル３１ｃと接続されない方）が接地されているので、パターンコイル３１ａ〜３１ｄは直列接続された状態となり、コイル３１全体が励磁回路３３の電圧出力によって励磁されることになる。つまり、コイル３１の全体としては、一端３１ａ１が励磁回路３３に接続され、他端３１ｄ１が接地されている。

検出回路３４の２つの入力の一方は、第１パターンコイル３１ａの一端３１ａ１（第２パターンコイル３１ｂと接続されない方）に接続されている。この第１パターンコイル３１ａは、図２に示すように、金属ワークＷなどの被検出物体に最も近い側に存在する。また、検出回路３４の２つの入力の他方は、コイル３１の途中、具体的には、第１パターンコイル３１ａの他端３１ａ２（第２パターンコイル３１ｂとの接続点）に接続されている。つまり、検出回路３４の２つの入力は、第１パターンコイル３１ａの両端３１ａ１、３１ａ２にそれぞれ接続されている。

そして、検出回路３４は、２つの入力間の電圧変化に基づいて金属ワークＷの有無または接近を検出する。なお、検出回路３４の２つの入力間の電圧が変化するということは、第１パターンコイル３１ａの抵抗（インピーダンス）が変化しているということである。

図３は近接センサ１の先端部分の概略構成を示す断面図である。

図３に示すように、近接センサ１は、円筒状の金属筐体１０と、この金属筐体１０の先端部開口にはめ込まれた樹脂コイルケース１１と、この樹脂コイルケース１１の先端部分にはめ込まれたパターンコイル基板３０と、金属筐体１０の内部に配置されるとともにパターンコイル基板３０に接続された回路基板２０とを備えている。

上述したパターンコイル３１ａ〜３１ｄは、パターンコイル基板３０内の各層３０ａ〜３０ｄにそれぞれ形成されている。

一方、励磁回路３３および検出回路３４などを含む各種の回路部品２１は、回路基板２０の両面に搭載されている。ただし、可能であれば回路基板２０の片面のみに搭載してもよいし、一部の部品を金属筐体１０外に配置してもよい（ただし、電気的には回路基板２０と接続しておく）。

（２）近接センサ１の効果を確認するシミュレーションの条件と結果
図４は近接センサ１の効果を確認するシミュレーション用回路１Ａの概略構成を示すブロック図である。図５（ａ）はシミュレーションの条件を示す一覧表であり、（ｂ）はパターンコイル基板３０のコイル部分の拡大断面図である。図６はシミュレーションの結果を示す比較表である。

図４に示すように、シミュレーション用回路１Ａのコイルは、励磁および検出に携わるコイルＬ１と、このコイルＬ１に一端が接続されるとともに他端が接地され、励磁のみに携わるコイルＬ２〜Ｌ４とを備えている。なお、図４ではコイルＬ２〜Ｌ４を便宜上１つのコイルとして図示している。また、シミュレーション用回路１Ａは、直列接続されたコイルＬ１〜Ｌ４へ電流Ｉを出力する帰還回路３５と、この帰還回路３５の出力とＧＮＤとの間に接続されたコンデンサＣとを備えている。

シミュレーションでは、図２に示したような４層基板に形成されたパターンコイル３１ａ〜３１ｄを想定しており、図５（ｂ）に示すように、第１層と第４層との距離は０．６ｍｍ、各層のターン数は３０、コイルの外周の直径は１．０ｍｍとした。そして、図５（ａ）に示した条件下において、以下の２種類の方式で金属ワークＷの有無による受信コイル抵抗、抵抗変化量、および抵抗変化率を算出した。

第１の方式（Ａ）は、従来の近接センサと同様に４層に形成した計１２０ターンのすべてを受信コイルとして使用した場合である。第２の方式（Ｂ）は、本発明の近接センサ１のように第１層目の３０ターンのみを受信コイルとして使用し、残りの第２層から第４層の９０ターンは受信に使用しない場合である。

シミュレーションの結果は図６に示す通りであり、従来方式の（Ａ）に対して本発明の方式（Ｂ）では、抵抗変化率が１１．９０％から１３．５５％に増加した。すなわち、抵抗変化率が約１４％向上しており、検出精度が向上している。

以上で説明した近接センサ１によれば、各層のパターンコイル３１ａ〜３１ｄが直列接続され、コイル３１全体が励磁されるため、金属ワークＷなどの検出のために発生する磁界の強度は一般的な方法と同程度に保たれる。一方、金属ワークＷなどに最も近い側の第１パターンコイル３１ａのみが検出のために使用されるので、その電圧出力信号の絶対値は小さくなる。しかし、金属ワークＷの有無による電圧出力信号の変化率は大きくなり、結果として信号Ｓ／Ｎ比が高くなるので、検出感度が向上する。

また、コイル３１は、パターンコイル基板３０の各層に形成されたパターンコイル３１ａ〜３１ｄから成っており、コイル３１の途中での端子も同じくパターンコイル基板３０に形成でき、配線しやすいので、本実施形態の実施も容易である。コイル３１の途中に形成する端子と、その端子から回路基板２０までの配線については、パターンコイル基板３０の製造過程で形成することができる。

（３）近接センサ１の変形例
図９に示したように、金属ワークＷに最も近い１層目の検出感度が最も高いが、この１層目においても、内側のターンが外側のターンより検出感度が高い傾向が見られる。そのため、第１パターンコイル３１ａの両端３１ａ１、３１ａ２に検出回路３４が接続されている場合、１層目全体の平均に相当する検出感度となってしまう。

そこで、この１層目の内側部分のみを検出のために使用すれば、検出感度のさらなる向上が期待できる。それには、検出回路３４の２つの入力の一方は第１パターンコイル３１ａの両端３１ａ１、３１ａ２のうちで中心側にある内側端３１ａ２に接続しておいて、検出回路３４の２つの入力の他方を第１パターンコイル３１ａの途中、例えば、第１パターンコイル３１ａの中央部に接続すればよい。このような接続は、多層基板内のパターン、スルーホールやビアなどによって比較的容易に実現できる。

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金属筐体
１１樹脂コイルケース
２０回路基板
２１回路部品
３０パターンコイル基板
３１コイル
３１ａ〜３１ｄ
パターンコイル
３３励磁回路
３４検出回路
３５帰還回路
４０巻線コイル
４１巻線
５０パターンコイル
５１コイルパターン

Claims

多層基板の２層以上にそれぞれ形成されたパターンコイルが直列接続されることで前記多層基板に形成されたコイルと、
前記コイルに接続され、前記コイルの全体を励磁する励磁回路と、
前記コイルの一端と途中とに接続され、これらの間の電圧またはインピーダンスの変化に基づいて被検出物体を検出する検出回路と
を備え、
前記コイルの前記一端は、前記パターンコイルのうちで前記被検出物体に最も近くなる位置の前記多層基板の層に形成された第１パターンコイルの一端であ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、
前記検出回路が接続される前記コイルの前記一端および前記コイルの前記途中の部分は、前記第１パターンコイルの両端であ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、
前記コイルの前記一端は、前記第１パターンコイルの内側端であることを特徴とする近接センサ。
請求項３に記載の近接センサにおいて、
前記第１パターンコイルの前記内側端と途中とに前記検出回路が接続されていることを特徴とする近接センサ。