JP6627472B2

JP6627472B2 - 近接センサ

Info

Publication number: JP6627472B2
Application number: JP2015241050A
Authority: JP
Inventors: 春梅黄; 昌之小泉; 健次本間
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2020-01-08
Anticipated expiration: 2035-12-10
Also published as: JP2017107760A

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、送信コイルおよび受信コイルを別々に備える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１〜５参照）。

特許文献１に開示された非接触検出装置では、専ら物体検出を担う第１検出コイルと、専ら外来電磁波を検出する第２検出コイルとの間にシールド部材が設けられている。ただし、第１検出コイルおよび第２検出コイルはいずれも検出コイル（受信コイル）であって、いずれか一方が送信コイルというわけではない。

特許文献２に開示された近接スイッチでは、基板に設けた検出コイルの裏側にシールド導体層が設けられるとともに、そのシールド導体層にスリットが形成されている。

特許文献３に開示された近接スイッチでは、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るとともに、基板上の回路部が電気的な影響を受けないようにシールドパターンが設けられている。

特許文献４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。

特許文献５に開示された近接センサでは、励磁コイル（送信コイル）および検知コイル（受信コイル）が別々に備えられている。励磁コイルと検知コイルとは磁気的に結合しているため、励磁コイルからの直接磁界が検知コイルに影響を及ぼす。ただし、これらの励磁コイルおよび検知コイルは、基板上にパターンを描くことで形成されたパターンコイルではないし、励磁コイルおよび検知コイルの間のシールドに関する記載も見当たらない。

特開２０１４−０８６９５４号公報特開平０５−１０５８０８号公報特開昭６２−１９０６２８号公報特開平０７−０３７４７６号公報特開平０２−１７３５９２号公報

送信コイルおよび受信コイルを別々に備えた近接センサの場合には、両コイル間に容量結合（静電結合）が生じる。この容量結合は温度による影響を受けやすく、被検出体の有無に関係なく受信信号が大きく変動してしまう。そして、この温度による受信信号の変動は、本来の検出信号と分離できないものである。そのため、近接センサの検出性能が温度によって大きく変動してしまう。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、送信コイルおよび受信コイルを別々に備えながら、温度特性を大幅に改善し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、発振回路と、前記発振回路に接続されるとともに、基板の少なくとも１層に形成された少なくとも１つの送信用パターンコイルと、前記基板の少なくとも１層に形成された少なくとも１つの受信用パターンコイルと、前記基板の前記送信用パターンコイルと前記受信用パターンコイルとの間に形成された少なくとも１つのシールドパターンと、前記送信用パターンコイルおよび前記受信用パターンコイルに接続され、前記送信用パターンコイルの電圧または電流の値と前記受信用パターンコイルの電圧または電流の値と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、前記送信用パターンコイルおよび前記受信用パターンコイルは、単層基板上または多層基板の少なくとも１層にパターンを描くことで形成された１つ以上のコイルである。前記シールドパターンも同様にパターンを描くことで形成されるが、渦電流の経路を分断する分断部（例えばスリット）が存在するように形成されていることが好ましい。

このような構成の近接センサによれば、送信用パターンコイルおよび受信用パターンコイルとしてパターンコイルを用いているので、両コイル間にシールドパターンを容易に形成することができる。これにより、送信コイルと受信コイルとの間の容量結合がシールドパターンによって抑制されるので、検出性能の温度特性が大幅に改善される。

本発明の近接センサにおいて、前記基板は多層基板であり、前記多層基板の各層について、前記受信用パターンコイルが形成されている受信用パターンコイル形成層と、前記送信用パターンコイルが形成されている送信用パターンコイル形成層とは重複せず、前記送信用パターンコイル層と前記受信用パターンコイル層との間には、前記送信用パターンコイルおよび前記受信用パターンコイルのいずれも形成されていない少なくとも１つの層が存在し、前記シールドパターンは、前記受信用パターンコイル形成層と前記送信用パターンコイル形成層との間の層に形成されていてもよい。つまり、送信用パターンコイルと受信用パターンコイルは別々の層に形成され、同じ層に送信用パターンコイルと受信用パターンコイルとが存在しないようになっている。

または、本発明の近接センサにおいて、前記基板は単層基板または多層基板であり、前記基板の少なくとも１層において、外周寄りまたは中心寄りの一方に前記送信用パターンコイルが形成されるとともに、外周寄りまたは中心寄りの他方に前記受信用パターンコイルが形成され、さらに、前記送信用パターンコイルと前記受信用パターンコイルとの間に前記シールドパターンが形成されていてもよい。

ここで、前記送信用パターンコイルまたは前記受信用パターンコイルがそれぞれ複数存在する場合には、前記送信用パターンコイル同士または前記受信用パターンコイル同士が一つの送信用コイルまたは一つの受信用コイルとして動作するように電気的に連結されていてもよい。

または、本発明の近接センサにおいて、前記基板は多層基板であり、前記基板の複数層に前記シールドパターン、前記送信用パターンコイルおよび前記受信用パターンコイルがそれぞれ形成されており、各層に形成された前記送信用パターンコイル同士および前記受信用コイルパターン同士が一つの送信用コイルおよび一つの受信用コイルとして動作するようにそれぞれ電気的に連結されていてもよい。

本発明の近接センサによれば、送信コイルと受信コイルとの間の容量結合がシールドパターンによって抑制されるので、検出性能の温度特性が大幅に改善される。

本発明の第１実施形態に係る近接センサ１の動作原理を説明する概略ブロック図である。近接センサ１の先端部分の概略構成を示す断面図の一例である。（ａ）は近接センサ１のパターンコイル基板３０の概略断面図であり、（ｂ）はパターンコイル基板３０の概略斜視図である。（ａ）はパターンコイル基板３０のシールドパターン３３の概略平面図であり、（ｂ）はその変形例であるシールドパターン３３Ｘの概略平面図である。（ａ）は第２実施形態に係る近接センサのパターンコイル基板３０Ａの概略断面図であり、（ｂ）はそのうちの１層の概略構成を示す斜視図であり、（ｃ）は互いに接続された２層の概略構成を示す斜視図である。

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。

＜第１実施形態＞
１．１近接センサ１の動作原理
図１は本発明の第１実施形態に係る近接センサ１の動作原理を説明する概略ブロック図である。

図１に示すように、近接センサ１は、発振波形を生成する発振波形生成回路３５と、この発振波形生成回路３５からの出力信号に応じた励磁電流を出力する定電流回路３６と、この定電流回路３６からの励磁電流によって金属ワークＷに対して励磁磁束Φ１を発生する送信用パターンコイル３１と、励磁磁束Φ１によって金属ワークＷで発生した渦電流による渦電流磁束Φ２を受信する受信用パターンコイル３２と、送信用パターンコイル３１と受信用パターンコイル３２との間に配置されたシールドパターン３３と、送信用パターンコイル３１の電圧または電流の値と受信用パターンコイル３２の電圧または電流の値とに基づいて変化を検出する検出回路３７と、この検出回路３７の検出結果に基づいて金属ワークＷの近接を判定する判定回路３８を備えている。

ここで、送信用パターンコイル３１および受信用パターンコイル３２は、単層基板上または多層基板の少なくとも１層に銅などの導電体をパターン（配線）として描くことで形成された１つ以上のコイルである。多層基板の複数の層にコイルパターンを形成した場合は、各層のコイルパターン同士をスルーホールまたはビアによって電気的に連結し、１つのコイルとする。送信用パターンコイル３１および受信用パターンコイル３２は、単層基板上または多層基板の同一層に形成してもよい。また、多層基板では、送信用パターンコイル３１を形成する層と受信用パターンコイル３２を形成する層とが重複しないようにする。また、各層のコイルパターン同士を連結するのは、スルーホールやビアに限定されるものではなく、各層のコイルパターン同士を電気的に連結して１つのコイルとして動作するのであれば何でもよく、例えばリード線などで連結してもよい。

シールドパターン３３も、単層基板上または多層基板の少なくとも１層にパターンを描くことで形成される。

検出回路３７や判定回路３８の具体例としては、特許文献５に記載された移相回路４と同期検波回路５の組み合わせも利用可能であるが、これに限るわけではない。

１．２近接センサ１の概略構成
図２は近接センサ１の先端部分の概略構成を示す断面図の一例である。

図２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の先端にはめ込むように配置された多層の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。

上述した送信用パターンコイル３１、受信用パターンコイル３２およびシールドパターン３３は、パターンコイル基板３０内に形成されているが、このパターンコイル基板３０の詳細な構成などについては後述する。

一方、上述した発振波形生成回路３５、定電流回路３６、検出回路３７および判定回路３８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）。

１．３パターンコイル基板３０の概略構成
図３（ａ）は近接センサ１のパターンコイル基板３０の概略断面図であり、図３（ｂ）はパターンコイル基板３０の概略斜視図である。図４（ａ）はパターンコイル基板３０のシールドパターン３３の概略平面図であり、図４（ｂ）はその変形例であるシールドパターン３３Ｘの概略平面図である。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、円盤状のパターンコイル基板３０は、３層３０ａ〜３０ｃからなる多層基板（３層基板）である。ただし、３層基板に限るわけではない。また、パターンコイル基板３０は円盤状に限るわけではなく、例えば矩形であっても構わない。

パターンコイル基板３０の上側の層３０ａには送信用パターンコイル３１が形成されるとともに、下側の層３０ｃには同様に受信用パターンコイル３２が形成されている。そして、パターンコイル基板３０の中間の層３０ｂにおいて、送信用パターンコイル３１のパターン全体と受信用パターンコイル３２のパターン全体との間にシールドパターン３３が形成されている。

ただし、このような構成に限らず、送信用パターンコイル３１と受信用パターンコイル３２とを上下逆に配置してもよい。すなわち、パターンコイル基板３０の上側の層３０ａに受信用パターンコイル３２を形成するとともに、下側の層３０ｃに送信用パターンコイル３１を形成してもよい。また、パターンコイル基板３０が４層以上の多層基板であれば、送信用パターンコイル３１を２層以上に形成して、各層のパターンコイルをスルーホールまたはビアなどによって電気的に連結してもよい。または、受信用パターンコイル３２を２層以上に形成して、各層のパターンコイルをスルーホールまたはビアなどによって電気的に連結してもよい。

シールドパターン３３は、図４（ａ）に示すように、平面視では略ドーナツ状である。渦電流の発生をできるだけ抑制するため、渦電流の経路を分断するような形状とすることが好ましい。例えば、そのような経路を分断する分断部としてスリット３４が存在するような形状としてもよい。ただし、スリット３４はこのような形状に限らないし、スリット３４の幅も適宜広げてもよい。また、２ヶ所以上に分断部やスリットや切欠き部分などが存在するような形状としてもよい。

また、シールドパターン３３の変形例として、図４（ｂ）に示すように、送信用パターンコイル３１の各パターンと受信用パターンコイル３２の各パターンとの間にそれぞれ入る複数の細い同心円環状のパターンからなるシールドパターン３３Ｘも考えられる。シールドパターン３３と同様に、渦電流の経路を分断するような形状とするため、例えば、スリット３４Ｘを設けてもよい。

以上で説明した第１実施形態に係る近接センサ１によれば、多層のパターンコイル基板３０を用い、送信用コイルと受信用コイルとシールド層とを基板にパターンとして形成しているので、基板の製造過程で送信用パターンコイル３１と受信用パターンコイル３２との間にシールドパターン３３またはシールドパターン３３Ｘを容易に形成することができる。これにより、両コイル間の容量結合がシールドパターン３３またはシールドパターン３３Ｘによって抑制されるので、検出性能の温度特性が大幅に改善される。

＜第２実施形態＞
上述した第１実施形態に係る近接センサ１のパターンコイル基板３０を異なる構成のパターンコイル基板３０Ａに置換したものを第２実施形態とし、以下では主に第１実施形態との相違点を説明する。

２．１パターンコイル基板３０Ａの概略構成
図５（ａ）は第２実施形態に係る近接センサのパターンコイル基板３０Ａの概略断面図であり、図５（ｂ）はそのうちの１層の概略構成を示す斜視図であり、図５（ｃ）は互いに接続された２層の概略構成を示す斜視図である。

図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、円盤状のパターンコイル基板３０Ａは、２層３０Ａａ、３０Ａｃからなる多層基板（２層基板）である。ただし、２層基板に限るわけではない。また、３０Ａｂはパターンコイル基板３０Ａの上側の層３０Ａａと下側の層３０Ａｃの間に設けられている樹脂を示している。

パターンコイル基板３０Ａの上側の層３０Ａａには、外周寄りに送信用パターンコイル３１Ａが形成されるとともに、同じ層３０Ａａの中心寄りに受信用パターンコイル３２Ａが形成されている。そして、同じ層３０Ａａにおいて、送信用パターンコイル３１Ａの最内周パターンと受信用パターンコイル３２Ａの最外周パターンとの間にシールドパターン３３Ａが形成されている。

また、パターンコイル基板３０Ａの下側の層３０Ａｃにも同様に、外周寄りに送信用パターンコイル３１Ａが形成されるとともに、同じ層３０Ａｃの中心寄りに受信用パターンコイル３２Ａが形成されている。そして、同じ層３０Ａｃにおいて、送信用パターンコイル３１Ａの最内周パターンと受信用パターンコイル３２Ａの最外周パターンとの間にシールドパターン３３Ａが形成されている。

さらに、図５（ｃ）に示すように、上側の層３０Ａａと下側の層３０Ａｃの送信用パターンコイル３１Ａ同士、受信用パターンコイル３２Ａ同士およびシールドパターン３３Ａ同士がスルーホールまたはビアなどによってそれぞれ電気的に連結される。これにより、送信および受信のコイルの長さを長くすることができる。

ただし、このような構成に限らず、外周寄りに受信用パターンコイル３２Ａを形成するとともに、中心寄りに送信用パターンコイル３１Ａを形成してもよい。

以上で説明した第２実施形態に係る近接センサによれば、多層のパターンコイル基板３０Ａを用い、送信用コイルと受信用コイルとシールドとを基板にパターンとして形成しているので、基板の製造過程で送信用パターンコイル３１Ａと受信用パターンコイル３２Ａとの間にシールドパターン３３Ａを容易に形成することができる。これにより、両コイル間の容量結合がシールドパターン３３Ａによって抑制されるので、検出性能の温度特性が大幅に改善される。

２．２パターンコイル基板３０Ａの変形例
また、パターンコイル基板３０Ａの代わりに単層基板を用いて、この単層基板上の外周寄り（または中心より）に送信用パターンコイル３１Ａを形成するとともに、中心寄り（または外周より）に受信用パターンコイル３２Ａを形成し、さらにその間にシールドパターン３３Ａを形成してもよい。

また、パターンコイル基板の片面のみに送信用パターンコイル、受信用パターンコイル、シールドパターンを形成してもよいし、基板の両面に形成してもよい。両面に形成した場合には、送信用パターンコイル同士および受信用パターンコイル同士をスルーホールや配線などによってそれぞれ電気的に連結してもよい。

また、多層基板の一つの層には送信用パターンコイルのみが形成され、他の層に第２実施形態で示したような送信用パターンコイル、受信用パターンコイル、シールドパターンが形成され、送信用パターンコイル同士が電気的に連津されていてもよい。

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
２０回路基板
２１回路部品
３０、３０Ａ
パターンコイル基板
３１、３１Ａ
送信用パターンコイル
３２、３２Ａ
受信用パターンコイル
３３、３３Ａ、３３Ｘ
シールドパターン
３４、３４Ｘ
スリット
３５発振波形生成回路
３６定電流回路
３７検出回路
３８判定回路

Claims

発振回路と、
前記発振回路に接続されるとともに、多層基板の複数層に形成された複数の送信用パターンコイルと、
前記多層基板の前記複数層に形成された複数の受信用パターンコイルと、
前記多層基板の前記送信用パターンコイルと前記受信用パターンコイルとの間にそれぞれ形成された複数のシールドパターンと、
前記送信用パターンコイルおよび前記受信用パターンコイルに接続され、前記送信用パターンコイルの電圧または電流の値と前記受信用パターンコイルの電圧または電流の値とに基づいて被検出物体を検出する検出回路と
を備え、
前記多層基板の前記複数層において、外周寄りまたは中心寄りの一方に前記送信用パターンコイルが形成されるとともに、外周寄りまたは中心寄りの他方に前記受信用パターンコイルが形成され、さらに、前記送信用パターンコイルと前記受信用パターンコイルとの間に前記シールドパターンが形成され、
前記送信用パターンコイル同士または前記受信用パターンコイル同士が一つの送信用コイルまたは一つの受信用コイルとして動作するように電気的に連結されてい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、
前記シールドパターンは、渦電流の経路を分断する分断部が存在するように形成されていることを特徴とする近接センサ。