JP7000908B2 - 渦電流式金属センサ及び渦電流検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属からなる被検出物の渦電流を検出する渦電流式金属センサ及び渦電流検出方法に関する。

金属からなる被検出物に対して、該被検出物に生じる渦電流を利用して、種々の検出・検知処理を行う装置が提案されている（特許文献１－３）。

特許文献１には、回転体と一体に回転する突起部の通過を検出する渦電流式のセンサを設け、センサのコイルで発生する磁界の変化に基づいて回転体の回転数を検出する装置が開示されている。特許文献２には、コイルに高周波電流を流し、近接する金属に発生する渦電流によるコイルのインピーダンスの変化から、金属の有無を検知する渦電流式変位センサが開示されている。特許文献３には、渦電流センサを用いて、摩擦材に異物として混入されている金属を検知する装置が開示されている。

特開２０１６－８９２９号公報 特開平８－２７１２０４号公報 特開２０１４－１３００７５号公報

渦電流式センサにあって、コイルを単体で使用する場合には、渦電流の検出精度が低くなる問題があり、また、温度等の外部環境による検出結果の変動が大きいという問題もある。そして、正確な渦電流が検出できないことにより、検出した渦電流に基づいた金属の検知も精度良く行えなくなる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、小型かつ簡単な構成であっても、外部環境の影響を受けることなく、金属からなる被検出物の渦電流を正確に検出して、金属の有無の検知、金属までの距離の測定などを高精度に行える渦電流式金属センサ、及び、金属からなる被検出物の渦電流を正確に検出できる渦電流検出方法等を提供することを目的とする。

本発明に係る渦電流式金属センサは、金属からなる被検出物の渦電流を検出する渦電流式金属センサにおいて、第１コイルを含んで発振する第１発振回路と、第２コイルを含んで発振する第２発振回路と、前記第１発振回路及び第２発振回路夫々における発振パルス数を計測する計測部と、前記計測部による前記第１発振回路における発振パルス数の計測時間、及び、前記計測部による前記第２発振回路における発振パルス数の計測時間の少なくとも一方を調整する調整部と、該計測部にて計測した発振パルス数の差分を算出する算出部と、該算出部にて算出した差分を前記被検出物の渦電流に変換する変換部とを備えることを特徴とする。

本発明において発振パルス数とは、夫々の発振回路において発振したそれぞれ発振周波数における定められた計測時間内のパルス数を言う。よって計測時間が同じであれば発振パルス数の差は発振周波数の差と同義ととらえることができる。

本発明の渦電流式金属センサにあっては、被検出物の近傍に配した第１コイルを含む第１発振回路の発振パルス数と、被検出物の近傍に第１コイルとは被検出物への距離を異ならせて配した第２コイルを含む第２発振回路の発振パルス数とを、計測部で計測する。算出部は、計測部が計測した両発振パルスの差分を算出し、変換部は、算出部が算出した差分を被検出物の渦電流に変換する。被検出物の渦電流が大きくなるとコイルのインダクタンスが減って、そのコイルを含む発振回路の発振パルス数は増加する。ここで、被検出物に近い方のコイルは渦電流の変化に応じたインダクタンスの変化量が大きくなるので、発振回路での発振パルス数の変動も大きくなる。よって、被検出物からの距離を異ならせて配した２つのコイルを用いて、夫々の発振回路による発振パルス数の差分から渦電流を検出することができる。また、検出した渦電流に基づいて、被検出物の有無の検知、被検出物までの距離の測定などを行うことができる。

ここで、第１発振回路の発振パルス数を計測した第１計測時間と第２発振回路の発振パルス数を計測した第２計測時間との少なくとも一方を、調整部により調整しておく。具体的には、被検出物からの距離が第２コイルより第１コイルの方が短い場合、第１コイルのインダクタンスは第２コイルのインダクタンスより大きくなって、第１発振回路の発振パルス数が第２発振回路の発振パルス数より小さくなるため、第１計測時間が第２計測時間より相対的に長くなるように調整し発振パルス数が同じになるように調整しておく。このような調整を行っておくことにより、実際の検出時における温度変動の影響が少なくなる。

この際、２つのコイルとして、基板へのパターニング印刷により形成されたコイルなどの扁平コイルを使用でき、構成は小型化する。扁平コイル等、インダクタンスが小さいコイルの場合には発振周波数が高い（一定時間内のパルス数が多い）。結果としてコンピュータの一定時間内のクロック数が発振パルス数より少ないので、発振パルス数測定の場合には同じ分解能を得るための測定時間を短くし、さらに測定時間を一定とすることができる。

また、発振パルス数の計測、発振パルス数の差分の算出、差分から渦電流への変換の一連の処理を、マイクロコンピュータなどを用いてソフトウェアにて行えて部品点数を削減できるとともに、部品における特性のばらつきを受けることが少なく、検出精度は高い。

本発明に係る渦電流式金属センサは、前記計測部は、前記第１発振回路における発振パルス数と、前記第２発振回路における発振パルス数とを交互に計測するように構成してあることを特徴とする。

本発明の渦電流式金属センサにあっては、第１発振回路における発振パルス数の計測と、第２発振回路における発振パルス数の計測とを、切り替えながら交互に行う。よって、一方の発振回路における発振パルス数の計測時に、他方の発振回路は発振していないので、一方の発振回路における発振パルス数の計測値は、他方の発振回路の発振の影響を受けない。したがって、両発振回路における正確な発振パルス数を計測でき、渦電流の検出精度は高い。

本発明に係る渦電流式金属センサは、前記第１コイル及び第２コイルは、同軸状に配されていることを特徴とする。

本発明の渦電流式金属センサにあっては、第１コイル及び第２コイルが同軸状に配されている。よって、コイルの配置に要する面積は小さくて済み、渦電流式金属センサの小型化を図れる。

本発明に係る渦電流式金属センサは、前記第１発振回路及び第２発振回路の構成部材は、前記第１コイル及び第２コイルを除いて共通であることを特徴とする。

本発明の渦電流式金属センサにあっては、第１発振回路と第２発振回路とにおいて、第１コイル及び第２コイルを除く他の構成部材は共通としている。よって、第１発振回路及び第２発振回路夫々で計測される発振パルス数は、コイル以外の異なる構成部材による特性のばらつきの影響を受けず、正確な値が計測される。よって、渦電流の検出精度は高い。

本発明に係る渦電流式金属センサは、その一面に前記第１コイルが配され、その他面に前記第２コイルが配されている基板を備えることを特徴とする。

本発明の渦電流式金属センサにあっては、基板の一面に第１コイルが形成され、基板の他面に第２コイルが形成されている。よって、簡単な構成にて、第１コイル及び第２コイルの同軸状配置を実現できる。

本発明に係る渦電流検出方法は、金属からなる被検出物の渦電流を検出する渦電流検出方法において、前記被検出物からの距離が互いに異なる第１コイル及び第２コイルを含む組コイルを配置し、前記第１コイルを含んで発振する第１発振回路の発振パルス数、及び、前記第２コイルを含んで発振する第２発振回路の発振パルス数を夫々計測し、前記第１発振回路の発振パルス数を計測する第１計測時間、及び、前記第２発振回路の発振パルス数を計測する第２計測時間の少なくとも一方を調整し、計測した発振パルス数の差分を算出し、算出した差分を前記被検出物の渦電流に変換することを特徴とする。

本発明にあっては、２つのコイル（第１コイルと第２コイルと）を用いて、夫々の発振回路による発振パルス数の差分から渦電流を検出し、検出した渦電流に基づいて、被検出物の有無の検知、被検出物までの距離の測定などを行うことができる。

本発明に係る渦電流検出方法は、前記第２コイルの前記被検出物からの距離が前記第１コイルの前記被検出物からの距離より短い場合に、前記第２計測時間が前記第１計測時間より相対的に長くなるように前記第１計測時間及び前記第２計測時間の少なくとも一方を調整することを特徴とする。

本発明にあっては、第１計測時間が第２計測時間より相対的に長くなるように調整し発振パルス数が同じになるように調整しておく。このような調整を行っておくことにより、実際の検出時における温度変動の影響が少なくなる。

本発明に係る渦電流式金属センサは、金属からなる被検出物の渦電流を検出する渦電流式金属センサにおいて、前記被検出物の渦電流によりインダクタンスが変化する第１コイルを含んで発振する第１発振回路と、前記被検出物の渦電流によりインダクタンスが変化する第２コイルを含んで発振する第２発振回路と、前記第１発振回路及び第２発振回路夫々における発振パルス数を計測する計測部と、前記計測部による前記第１発振回路における発振パルス数が所定値となるように計測時間を調整する第１調整部と、前記第１調整部で調整した前記第１発振回路における発振パルス数の計測時間、及び、前記第２発振回路における発振パルス数の計測時間の少なくとも一方を、所定の環境下にて計測したそれぞれの発振パルス数に基づいて調整する第２調整部と、前記第１調整部及び前記第２調整部による調整後の計測時間で、前記計測部にて計測した発振パルス数の差分を算出する算出部と、前記算出部にて算出した差分を前記被検出物の渦電流に変換する変換部とを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、２つのコイル（第１コイルと第２コイルと）を用いて、夫々の発振回路による発振パルス数の差分から渦電流を検出し、検出した渦電流に基づいて、被検出物の有無の検知、被検出物までの距離の測定などを行うことができる。

本発明に係る渦電流式金属センサは、前記第２調整部は前記第２発振回路における発振パルス数の計測時間を調整することを特徴とする。

本発明にあっては、第１発振回路を基準として動作させることが可能となる。

本発明に係る渦電流式金属センサは、前記算出部は、前記第１調整部及び前記第２調整部による計測時間の調整後、所定の環境下で、前記計測部にて、前記第１調整部及び前記第２調整部による調整後の計測時間で計測した発振パルス数の差分を算出し、前記算出部が算出した差分により、前記第１発振回路における発振パルス数、及び、前記第２発振回路における発振パルス数の少なくとも一方を調整する第３調整部をさらに備えることを特徴とする。

本発明にあっては、第１調整部及び第２調整部による調整後の計測時間で計測した発振パルス数の差分を算出し、算出した差分により、第１発振回路における発振パルス数、及び、第２発振回路における発振パルス数の少なくとも一方を調整するので、計測中心とすべき所定の環境下で渦電流の差分を０とすることが可能となる。

本発明に係る渦電流式金属センサは、前記第３調整部は前記第２発振回路における発振パルス数を調整することを特徴とする。

本発明にあっては、第１発振回路を基準として動作させることが可能となる。

本発明は、環境下は基準金属板を用いて、実現することを特徴とする。

本発明にあっては、基準金属板を用いることにより、所定の渦電流を計測範囲の中心とすることが可能となる。

本発明に係る渦電流検出方法は、検知コイル及び基準コイルを同軸上、又は互いの軸が平行でかつ軸方向で重なるようにした組コイルを配置し、前記基準コイルを含んで発振する基準発振回路の発振パルス数を、予め定めた初期計測時間で計測し、計測した発振パルス数が所定値となるように、前記初期計測時間を調整した第１計測時間を求め、求めた前記第１計測時間と同じ時間を第２計測時間に設定し、基準金属板を検知コイル近傍所定位置に配置した後、前記第１計測時間で前記基準発振回路の発振パルス数、及び前記第２計測時間で前記検知コイルを含んで発振する検知発振回路の発振パルス数をそれぞれ計測し、計測した２つの発振パルス数に基づいて、前記第１計測時間及び前記第２計測時間の少なくとも一方を調整し、前記基準金属板が除かれ前記被検出物が存在する環境下で、前記第１計測時間で前記基準発振回路の発振パルス数、及び前記第２計測時間で前記検知発振回路の発振パルス数をそれぞれ計測し、計測した発振パルス数の差分を算出し、算出した差分を前記被検出物の渦電流に変換することを特徴とする渦電流検出方法。

本発明にあっては、２つのコイル（第１コイルと第２コイルと）を用いて、夫々の発振回路による発振パルス数の差分から渦電流を検出し、検出した渦電流に基づいて、被検出物の有無の検知、被検出物までの距離の測定などを行うことができる。

本発明に係る渦電流検出方法は、前記第２計測時間を調整することを特徴とする。

本発明にあっては、第１発振回路を基準として動作させることが可能となる。

本発明では、小型かつ簡単な構成であるにもかかわらず、温度等の外部環境の変動があっても正確に被検出物（金属）の渦電流を検出することができ、渦電流の検出結果に基づいて、金属の有無を正しく検知したり、金属までの距離を高精度に測定したりすることが可能である。

渦電流式金属センサの構成を示す斜視図である。 渦電流式金属センサの構成を示す断面図である。 渦電流式金属センサと被検出物である金属との位置関係を示す断面図である。 渦電流式金属センサの機能構成を示すブロック図である。 渦電流式金属センサの一構成例を示す回路図である。 渦電流式金属センサの動作を説明するためのタイミングチャートである。 計測時間調整処理の処理手順例を示すフローチャートである。 初期補正処理の処理手順例を示すフローチャートである。 補正処理の処理手順例を示すフローチャートである。 強制補正処理の処理手順例を示すフローチャートである。 補正処理の補正後から強制補正の処理手順例を示すフローチャートである。 第１変形例における渦電流式金属センサの構成を示す断面図である。 第２変形例における渦電流式金属センサの構成を示す断面図である。 第３変形例における渦電流式金属センサの構成を示す断面図である。

以下、実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。図１及び図２は、渦電流式金属センサの構成を示す斜視図及び断面図である。

図１及び図２において、１０は扁平矩形状の基板である。基板１０の一端部の一面（上面）には第１コイル１が形成されている。また、基板１０の一端部の他面（下面）には、第１コイル１と同軸をなして、第２コイル２が形成されている（図２参照）。これらの第１コイル１及び第２コイル２は、例えば、基板１０への銅箔パターンの印刷により形成される。第１コイル１と第２コイル２とで組コイルを構成する。

基板１０の他端部の上面には、他端から一部を突出させてコネクタ３が実装されている。基板１０の中央部の上面には、後述する各種の処理を行うマイクロコンピュータからなる電子チップ４が実装されている。さらに、電子チップ４の近傍には、回路部品５が実装されている。回路部品５は、第１コイル１又は第２コイル２と発振回路を構成するためのコンデンサなどを含んでいる。本実施の形態の渦電流式金属センサ２０は、以上のような構成をなす。

図３は、本実施の形態の渦電流式金属センサ２０と被検出物である金属との位置関係を示す断面図である。基板１０の一面（下面）側に、渦電流式金属センサ２０と対向して検出対象である金属３０が配置されている。この配置例では、第２コイル２が第１コイル１よりも、金属３０（被検出物）に近い位置に配されることになる。

図４は、渦電流式金属センサ２０の機能構成を示すブロック図である。図４において、図１及び図２と同一又は同様な部分には同一の符号を付している。

第１コイル１と回路部品５の一部とにより、第１発振回路６が構成されており、第２コイル２と回路部品５の一部とにより、第２発振回路７が構成されている。本実施の形態の渦電流式金属センサ２０にあっては、第１発振回路６と第２発振回路７とにおいて、第１コイル１及び第２コイル２を除く他の構成部材は共通としている。よって、第１発振回路６及び第２発振回路７夫々で計測される発振パルス数は、異なる構成部材による特性のばらつきの影響を受けず、正確な値が計測される。よって、金属３０の渦電流の検出精度は高い。

また、電子チップ４は、第１発振回路６及び第２発振回路７夫々における発振パルス数を計測する計測部４１と、計測部４１での第１発振回路６における発振パルス数の計測時間（第１計測時間）及び第２発振回路７における発振パルス数の計測時間（第２計測時間）の少なくとも一方を調整する調整部（第１調整部、第２調整部、第３調整部）４２と、計測部４１で計測した発振パルス数の差分を算出する算出部４３と、算出部４３にて算出した差分を金属３０（被検出物）の渦電流に変換する変換部４４とを機能的に有している。

図５は、渦電流式金属センサ２０の一構成例を示す回路図である。図５において、コイルＬ１及びコイルＬ２は夫々、前述した第１コイル１及び第２コイル２に該当する。また、マイクロコンピュータＵ１は、前述した電子チップ４に相当する。

コイルＬ１の一端は、マイクロコンピュータＵ１の第６端子に接続され、コイルＬ２の一端は、マイクロコンピュータＵ１の第３端子に接続されている。コイルＬ１の他端及びコイルＬ２の他端はコンデンサＣ１を介してトランジスタＱ１のベースに接続されている。トランジスタＱ１のベース、コレクタ間には抵抗Ｒ２が設けられ、トランジスタＱ１のベース、エミッタ間にはコンデンサＣ２が設けられている。トランジスタＱ１のコレクタは、マイクロコンピュータＵ１の第２端子に接続されているとともに、抵抗Ｒ３を介して接地されている。

マイクロコンピュータＵ１の第１端子には、電源電圧Ｖｄｄの入力端子が接続されている。電源電圧Ｖｄｄの入力端子は、抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱ１のエミッタに接続されている。抵抗Ｒ１とトランジスタＱ１のエミッタとの間にはコンデンサＣ３の一端が接続され、コンデンサＣ３の他端は接地されている。電源電圧Ｖｄｄの入力端子と前記第１端子との間にはコンデンサＣ６の一端が接続され、コンデンサＣ６の他端は接地されている。マイクロコンピュータＵ１の第８端子には、接地用の端子が接続されている。

マイクロコンピュータＵ１の第７端子には、抵抗Ｒ４を介して、渦電流に相当する検出電圧Ｖｏｕｔを出力する出力端子が接続されている。該出力端子と抵抗Ｒ４との間にはコンデンサＣ７の一端が接続され、コンデンサＣ７の他端は接地されている。マイクロコンピュータＵ１の第５端子には、抵抗Ｒ６を介して、オフセット制御を行うための制御電圧Ｖｃｏｎｔを入力する入力端子が接続されている。マイクロコンピュータＵ１の第５端子と抵抗Ｒ６との間にはコンデンサＣ４の一端が接続され、コンデンサＣ４の他端は接地されている。

コイルＬ１、２個のコンデンサＣ２及びＣ３並びにトランジスタＱ１にて、前述した第１発振回路６（コルピッツ発振回路）が構成され、コイルＬ２、２個のコンデンサＣ２及びＣ３並びにトランジスタＱ１にて、前述した第２発振回路７（コルピッツ発振回路）が構成されている。そして、マイクロコンピュータＵ１の切り替え動作（マイクロコンピュータＵ１の第３端子及び第６端子で切り替え動作を行っている）により、第１発振回路６と第２発振回路７とが所定時間ずつ交互に発振するようになっている。

次に、本実施の形態の渦電流式金属センサ２０の動作について説明する。図６は、本実施の形態の渦電流式金属センサ２０の動作を説明するためのタイミングチャートである。図６の横軸は時間である。横軸の単位は例えば秒又はミリ秒である。縦軸は上段では電圧である。上段の単位は例えばミリボルトである。縦軸は下段では渦電流値である。下段の単位は例えばミリアンペアである。

調整部４２にて調整された第１計測時間に亘って、第１発振回路６を発振させてその発振パルス数を計測部４１にて計測する処理と、調整部４２にて調整された第２計測時間に亘って、第２発振回路７を発振させてその発振パルス数を計測部４１にて計測する処理とを交互に行う。この際、図６に示すように、第１発振回路６を発振させてその発振パルス数を計測する期間では第２発振回路７を発振させず、また、第２発振回路７を発振させてその発振パルス数を計測する期間では第１発振回路６を発振させない。よって、互いに発振の影響を受けることなく、発振パルス数を計測するので、その計測値は精度が高い。

所定時間（第１計測時間及び第２計測時間）ずつの発振パルス数の計測を終了すると、第１発振回路６における（第１コイル１に由来する）計測された発振パルス数と、第２発振回路７における（第２コイル２に由来する）計測された発振パルス数との差分を、算出部４３にて算出する。そして、変換部４４により、算出した差分を渦電流に変換し、渦電流の変化量を求める。

また、第１発振回路６を発振させて、その発振パルス数を計測する期間では、それ以前の第１発振回路６と第２発振回路７の計測値（例えばＡ′とＢ′）の差分を、算出部４３にて算出し、変換部４４により、算出した差分を渦電流に変換し、渦電流の変化量を求めるので、各発振回路の発振パルス数の計測開始のタイミングで渦電流の変化量の更新が順次行われる。図６において、時刻０を跨いで、第２発振回路７の計測が行われ、発振パルス数Ｂ’が得られている。さらにその前には、第１発振回路６の計測が行われ、発振パルス数Ａ’が得られている。したがって、第２発振回路７の発振パルス数Ｂ’が得られた時点以降で、発振パルス数の差分（Ａ’－Ｂ’）から渦電流値を算出する。続いて、第１発振回路６の次の計測が行われ、発振パルス数Ａが得られている。そして、発振パルス数の差分（Ｂ’－Ａ）から渦電流値を算出する。引き続き、第２発振回路７の次の計測が行われ、発振パルス数Ｂが得られている。そして、発振パルス数の差分（Ａ－Ｂ）から渦電流値を算出する。さらに、第１発振回路６の計測が行われ、発振パルス数Ａ＊が得られている。そして、発振パルス数の差分（Ｂ－Ａ＊）から渦電流値を算出する。以上のような計測及び渦電流値の算出を繰り返し行う。

本実施の形態において下記のような利点があげられる。検出対象である金属３０の種類に応じて、渦電流の大きさは変化する。この場合、例えばマイクロコンピュータＵ１の未使用端子を利用して、この未使用端子の電圧レベルを外部から制御することで、感度を調節するオフセット機能を与えることができる。

なお、図５には一例として端子を８個有するマイクロコンピュータを記載したが、この構成に限定されるものではない。必要な場合には異なる端子数のマイクロコンピュータを使用し渦電流の変化などの情報をシリアル通信などの手段で、上位の制御側に伝達し、また上位側からの制御信号を受けることも可能である。

以下、上述したような手順により、渦電流を検出できる原理を説明する。また、渦電流の検出結果に基づいて被検出物（金属３０）の有無の検知、被検出物（金属３０）までの距離の測定を行える。

被検出物の渦電流が大きくなった場合、被検出物の近傍に配されたコイルのインダクタンスは、この渦電流の変動に応じて低下する。この結果、そのコイルを含む発振回路の発振パルス数は増加する。ここで、被検出物からの距離を異ならせて２個のコイルを配置している場合、いずれのコイルもインダクタンスが低下して、いずれの発振回路も発振パルス数は増加する。但し、被検出物に近い方のコイルは、遠い方のコイルに比べて、渦電流の変化の影響を強く受けるので、上記の場合、インダクタンスの低下量が大きくなり、発振パルス数の増加量も大きくなる。よって、２個のコイル夫々を含む２つの発振回路における発振パルス数には、渦電流の変化の程度に応じた分の差異が生じることになる。このように、両発振パルス数の差分と渦電流との間には相関関係が存在するので、本実施の形態では、両発振回路の発振パルス数の差分に基づいて被検出物の渦電流を検出することが可能である。そして、検出した被検出物の渦電流に基づき、被検出物（金属３０）の有無を検知したり、被検出物（金属３０）までの距離を測定したりすることが可能である。

前述した実施の形態における渦電流式金属センサ２０にあっては、第１コイル１が上記の被検出物（金属３０）に遠い方のコイルに該当し、第２コイル２が上記の被検出物（金属３０）に近い方のコイルに該当する。本実施の形態においては被検出物に近い方のコイルを検知コイル、遠い方のコイルを基準コイルとする。

本実施の形態に係る渦電流式金属センサ２０によれば、金属に発生する渦電流を検知することができる。よって金属の有無を検知する有無センサとして使用することができる。また、金属との距離を測定する距離センサとして使用することができる。また、回転数検出センサ、近接スイッチとしても使用できる。

ここで、調整部４２における第１計測時間及び第２計測時間の少なくとも一方の調整処理について説明する。

被検出物に近い第１コイル１と被検出物から遠い第２コイル２とでは使用環境が異なるため、渦電流式金属センサの検出特性は、温度変動の影響を受け易い。また、第１コイル１及び第２コイル２は、前述したように、基板１０への銅箔パターンの印刷により形成されるため、形成条件の違いに起因する第１コイル１及び第２コイル２の特性の差異は避けられない。

本実施の形態の渦電流式金属センサ２０は、このような課題を解決するために、第１計測時間及び第２計測時間の少なくとも一方の調整を行う。この調整処理は、渦電流式金属センサ２０の出荷時、又は渦電流式金属センサ２０を備えた距離センサの使用時など、実際の渦電流検出処理が実行される前に行われる。所望の検出範囲の中央値の状況にあって、第１コイル１及び第２コイル２での１回の計測期間内のパルス数に差がないように、これらの計測時間の調整を行う。なお、この検出範囲の中央値の状況を作り出すために、上記中央値とする大きさの金属板を使用する。このときの環境温度については常温とする。

被検出物に近い位置に配される第２コイル２は、被検出物の影響を大きく受けてインダクタンスは大きくなる。一方、被検出物から遠い位置に配される第１コイル１は、被検出物の影響をほとんど受けずにインダクタンスもあまり大きくならない。発振周波数はインダクタンスにほぼ反比例するため、第２発振回路７の発振パルス数は第１発振回路６の発振パルス数より少なくなる。そこで、このような被検出物の影響の大小による差を補償する分だけ、第２計測時間が第１計測時間より相対的に長くなるような調整を行っている。具体的には第１発振回路６の発振パルス数と、第２発振回路７の発振パルス数が同じになるように計測時間を調整する。

このような第２計測時間が第１計測時間より相対的に長くなる調整を行う場合、第２計測時間は変更せずに第１計測時間を短くする調整、第１計測時間は変更せずに第２計測時間を長くする調整、第１計測時間を短くして第２計測時間を長くする調整のいずれであっても良い。

計測時間の調整は、計測にあたってはまず、夫々の計測時間は同じとし、第１発振回路６による発振パルス数の計測と第２発振回路７による発振パルス数の計測を行った後、その差分を測定し差分が無くなるようにどちらか一方の計測時間を調整する。この場合、１回の計測時間の調整で同じ発振パルス数にならない場合がありその場合には以下のように調整する。具体的には、調整された計測時間で再度第１発振回路６による発振パルス数と、第２発振回路７による発振パルス数を計測し、発振パルス数の差分を計算し、差分が無くなるようにどちらか一方の計測時間を調整する。最終的には、第１発振回路６による発振パルス数と第２発振回路７による発振パルス数の差が最も小さい状態を初期値と設定し（検出範囲の中央値と設定し）、実際の測定を行っても良い。この補正は後述のステップ２（補正処理）に該当している。

以上の計測時間調整の全体について、フローチャートを用いて、説明する。図７は計測時間調整処理の処理手順例を示すフローチャートである。計測時間調整処理は電子チップ４の調整部４２が主体となって行う処理である。調整部４２は初期補正処理を行う（ステップＳ１）。初期補正処理は主として電子チップ４のクロックの誤差を補正することを目的とする処理である。調整部４２は補正処理を行う（ステップＳ２）。補正処理は主として測定範囲の中央値と想定する環境で第１発振回路６と第２発振回路７との計測パルス数の差分を最小値（０を含む）にすることを目的とする処理である。調整部４２は強制補正処理を行う（ステップＳ３）。強制補正処理は主として測定範囲の中央値と想定する環境で第１発振回路６と第２発振回路７との計測パルス数の差分を強制的に０にする処理である。強制補正処理は補正処理にて得られた差分の最小値を強制的に０とする処理であり、補正処理にて差分が最小値となったことを確認する意味を含む処理である。調整部４２は計測時間調整処理を終了する。
その後、図６に示す手順にて渦電流の測定を繰り返し行う（ステップＳ４）。

図８は初期補正処理の処理手順例を示すフローチャートである。第１発振回路６を構成するコイルを基準コイル、第２発振回路７を構成するコイルを検知コイルとし、また第１発振回路６を基準発振回路、第２発振回路７を検知発振回路とする。調整部４２は予め定めた初期計測時間（ｔ０）で第１発振回路６の発振パルス数を、計測部４１で計測する（ステップＳ１１）。調整部４２は算出部４３により計測したパルス数と所定値との差分を算出する（ステップＳ１２）。所定値に基づき、第１発振回路６の発振パルス数が所定値となるように、第１発振回路６の計測時間を補正する（ステップＳ１３）。調整部４２は初期補正処理を終了し、処理を呼び出し元に戻す。補正後の計測時間は例えば、ｔ０＋αとする。ステップ１３で初期補正は完了する。なお、ステップＳ１３の後に、計測時間ｔ０＋αで、計測部４１により第１発振回路６の発振パルス数を計測し、計測した発振パルス数が所定値となる否かを確認する処理を行う。計測時間ｔ０＋αで、第１発振回路６の発振パルス数を計測する（ステップＳ１４）。調整部４２は発振パルス数が所定値となったか否かを判定する（ステップＳ１５）。調整部４２は発振パルス数が所定値となっていないと判定した場合（ステップＳ１５でＮＯ）、処理をステップＳ１２に戻す。調整部４２は発振パルス数が所定値となっていると判定した場合（ステップＳ１５でＹＥＳ）、処理を終了し呼び出し元に戻す。なお、発振パルス数が所定値とならない場合やαが収束しない場合は、発振パルス数と所定値の差分が最も小さくなる値をαに設定する。なお、処理を簡略化するため、ステップＳ１４、Ｓ１５の処理を省略してもよい。

例えば、第１発振回路６が１０ＭＨｚで発振する設計とする。そして、発振パルス数を３万回、計測するものとする。この場合、初期計測時間ｔ０を３ｍｓとする。計測部４１で３ｍｓ間、第１発振回路６の発振パルス数を計測する。計測した発振パルス数が３万を下回る場合は下回るパルス数の分、計測時間を長くする。すなわち、αを正の値とする。計測した発振パルス数が３万を上回る場合は上回るパルス数の分、計測時間を短くする。すなわち、αを負の値とする。計測した発振パルス数が３万となった場合は、αを０とする。

図９は補正処理の処理手順例を示すフローチャートである。補正処理は測定範囲の中心となる渦電流が測定されるような環境で行う。例えば、そのような環境を作り出す基準金属板を用いる。例えば、渦電流式金属センサを距離センサとして使う場合は、想定する金属で作成した基準金属板を測定範囲の中心としたい距離に配置する。調整部４２は初期補正処理で求めた計測時間ｔ０＋αで、計測部４１により第１発振回路６の発振パルス数を計測する（ステップＳ２１）。調整部４２は計測した第１発振回路６の発振パルス数を記憶する（ステップＳ２２）。調整部４２は初期補正処理で求めた計測時間ｔ０＋αで、計測部４１により第２発振回路７の発振パルス数を計測する（ステップＳ２３）。調整部４２は算出部４３により計測した第２発振回路７の発振パルス数と記憶した第１発振回路６の発振パルス数との差分を算出する（ステップＳ２４）。調整部４２は補正処理を終了し、処理を呼び出し元に戻す。差分が０となるように、第２発振回路７の計測時間を補正する（ステップＳ２５）。調整部４２は補正後の計測時間は例えば、ｔ０＋α＋βとする。第２発振回路７のパルス数が第１発振回路６の発振パルス数よりも小さい場合は、βを正の値とする。第２発振回路７のパルス数が第１発振回路６の発振パルス数よりも大きい場合は、βを負の値とする。第２発振回路７のパルス数が第１発振回路６の発振パルス数と等しい場合は、βは０とする。ステップＳ２５の後に、計測時間ｔ０＋αで第１発振回路６の発振パルス数を計測し、計測時間ｔ０＋α＋βで第２発振回路７のパルス数を計測し、両パルス数が等しいか否かを確認する処理を行ってもよい。等しくない場合には、再度、βを設定し直す。βが収束しない場合は、発振パルス数と所定値の差分が最も小さくなる値とする。具体的にはステップＳ２５の後に、調整部４２は計測した第１発振回路６の発振パルス数と第２発振回路７のパルス数とが一致するかを判定する。調整部４２は両パルス数が一致すると判定した場合、補正処理を終了する。調整部４２は両パルス数が一致しないと判定した場合、Ｓ２１へ戻り、ステップＳ２１以降を繰り返す工程となる。この際の計測時間は第１発振回路６ではｔ０＋αであり（ステップＳ２１）、第２発振回路７ではｔ０＋α＋βとする（ステップＳ２３）。同様の要領で第２発振回路７の時間を補正しながら発振パルス数が同じになるように補正する。また、第２発振回路７の計測時間を補正するのではなく、第１発振回路６の計測時間を補正してもよい。

図１０は強制補正処理の処理手順例を示すフローチャートである。強制補正処理は補正処理にて設定した計測時間での発振パルス数も差分を最終確認し差分を強制的に０とする処理である。強制補正処理も補正処理と同様に基準金属板を用い測定範囲の中心となる渦電流が測定されるような環境で行う。調整部４２はｔ０＋αで、計測部４１により第１発振回路６の発振パルス数を計測する（ステップＳ３１）。調整部４２は計測した第１発振回路６の発振パルス数を記憶する（ステップＳ３２）。調整部４２はｔ０＋α＋βで、計測部４１により第２発振回路７の発振パルス数を計測する（ステップＳ３３）。調整部４２は計測した第２発振回路７の発振パルス数を記憶する（ステップＳ３４）。調整部４２は算出部４３により、第１発振回路６の発振パルス数と第２発振回路７の発振パルス数との差分を算出する（ステップＳ３５）。その後差分を強制的に０とする。この処理により基準金属板で測定した値を渦電流の中央値と設定することとなる（ステップＳ３６）。この工程は後述のＳ５２からＳ５７を示している。

補正処理の一連の流れ（補正後から強制補正）について、フローチャートを用いて、説明する。図１１は補正処理の補正後から強制補正の処理手順例を示すフローチャートである。調整部４２は第１発振回路６の計測時間（第１計測時間ｔ１）をｔ０＋αとする。調整部４２は第２発振回路７の計測時間（第２計測時間ｔ２）をｔ０＋α＋βとする（ステップＳ５１）。計測部４１は第１計測時間ｔ１で第１発振回路６の発振パルス数を計測する（ステップＳ５２）。計測部４１は計測した第１発振回路６の発振パルス数を記憶する（ステップＳ５３）。計測部４１は第２計測時間ｔ２で第２発振回路７の発振パルス数を計測する（ステップＳ５４）。計測部４１は計測した第２発振回路７の発振パルス数を記憶する（ステップＳ５５）。調整部４２は強制補正処理で求めた差分（強制差分）で、第１発振回路６の発振パルス数又は第２発振回路７の発振パルス数を補正する。強制補正処理で、第１発振回路６の発振パルス数が第２発振回路７の発振パルス数より大きかった場合、第２発振回路７の発振パルス数の値に強制差分を足す。第１発振回路６の発振パルス数が第２発振回路７の発振パルス数より小さかった場合、第２発振回路７の発振パルス数の値に強制差分を引く（差分を強制的に０とする）ことで補正は完了する（ステップＳ５６、Ｓ５７）。この処理により、基準金属板での測定値が渦電流の中央値として設定される。

上述したような調整を行っておくことにより、温度変動による検出出力の変動を抑えることができる。また、上述したような形成時における第１コイル１及び第２コイル２の特性の差異分などの補償も結果的に行えていることになる。したがって、本実施の形態の渦電流式金属センサ２０では、温度変動の影響を抑制して高精度に渦電流を検出することが可能である。
なおステップＳ１の初期補正、ステップＳ３の強制補正は必須ではなく、要求される仕様に応じて適宜組み合わせても良い。
初期補正を行ったのちに補正及び強制補正を行う場合には、基準コイル（本明細書では第１コイル１）の計測時間を一定とし検知コイル（本明細書では第２コイル２）の計測時間を調整するのが望ましい。

上述した実施の形態では、同軸状に基板１０に配した２個のコイル（第１コイル１及び第２コイル２）のインダクタンスの変化を、マイクロコンピュータ（電子チップ４）に内蔵された発振器の正確なクロック信号で駆動される２つの発振回路（第１発振回路６及び第２発振回路７）における発振パルス数の差分として検出し、その差分（発振パルス数の変化量）をマイクロコンピュータにて演算処理して渦電流の変化を検出している。ここで、２個のコイル夫々を交互に発振回路に接続させて、夫々所定時間に亘って交互にマイクロコンピュータにて発振パルス数を計測し、その差分を算出して渦電流の変化を検出している。

本実施の形態では、第１コイル１及び第２コイル２を基板１０の上下面に同軸状に配しているので、コイルの配置に必要な面積を低減でき、水平方向での狭小化を図れる。また、基板１０に導体パターンを印刷してコイルを形成するようにしたので、高さ方向における低背化を図れる。さらに、マイクロコンピュータを用いて各種の処理を行うようにしたので、部品点数を低減できて、回路部品を実装する面積は少なくて済む。以上のことから、渦電流式金属センサの大幅な小型化を実現できる。

２つの発振回路における発振パルス数の計測を交互に行うようにしているので、一方のコイルを含む発振回路の計測が他方のコイルで発生する磁束（他方のコイルでのインダクタンス変化）の影響を受けないため、正確な発振パルス数を計測することができ、この結果、高い精度にて渦電流を検出することが可能である。

本実施の形態では、２つの発振回路を構成するトランジスタとコンデンサを共通とし、コイルを発振回路それぞれに配置したので、部品の数を少なくすることができて、コストダウンが図れる。又部品数が少ないため部品特性のばらつきを低減でき、さらに温度変化、ノイズといった外乱の影響を受け難く、正確な測定が可能となる。

マイクロコンピュータを用いてソフトウェアにより種々の処理を行うようにしたので、ハードウェアとしての回路部品の点数を減少できて、回路部品における特性のばらつきの影響を受けることが少なくなる。また、ソフトウェアにて処理するので、環境（温度、湿度など）の影響を受けにくくなる。よって、検出される渦電流の精度を高めることができる。

また、検出する金属３０の種類が異なる場合でも、ソフトウェアの内容を変更するのみで簡単に対応できる。よって、大量生産が容易となって、低コスト化を図ることができる。

上述した実施の形態では、基板１０の上面及び下面に夫々導体パターンを印刷して、第１コイル１及び第２コイル２を同軸状に形成するようにしたが、第１コイル１及び第２コイル２の形成手法は、これに限らず、他の手法であっても良い。以下、これらの他の手法について変形例として説明する。

（第１変形例）
図１２は、第１変形例における渦電流式金属センサの構成を示す断面図である。図１２において、図１及び図２と同一又は同様な部材には同一番号を付している。第１変形例では、基板１０の下面に、例えば銅箔のパターン印刷により、第１コイル１と第２コイル２とを、絶縁層を挟んで同軸状に積層させて形成している。また、基板１０の上面には、コイルは形成されておらず、上述した実施の形態と同様な電子チップ４、回路部品５及びコネクタ３が実装されている。第１コイル１及び第２コイル２は、電子チップ４及び回路部品５の実装位置の直下に形成されている。よって、渦電流式金属センサの構成の更なる小型化を図ることができる。

（第２変形例）
図１３は、第２変形例における渦電流式金属センサの構成を示す断面図である。図１３において、図１及び図２と同一又は同様な部材には同一番号を付している。第２変形例では、基板１０の一端部の上面に、別部品の空心コイルを実装して第１コイル１を形成し、基板１０の一端部の下面に、第１コイル１と同軸をなして、別部品の空心コイルを実装して第２コイル２を形成している。基板１０の上面の残りの領域には、上述した実施の形態と同様な電子チップ４、回路部品５及びコネクタ３が実装されている。

（第３変形例）
図１４は、第３変形例における渦電流式金属センサの構成を示す断面図である。図１４において、図１及び図２と同一又は同様な部材には同一番号を付している。第３変形例では、基板１０の一端部の上面に、別部品の２個の空心コイルを積層実装して第１コイル１及び第２コイル２を形成している。２個の空心コイルは基板上に第２コイル２、第１コイル１の順に積層する。第２コイル２と第１コイル１との間には絶縁層を設ける。基板１０の上面の残りの領域には、上述した実施の形態と同様な電子チップ４、回路部品５及びコネクタ３が実装されている。なお、図１３に示す構成とは異なり、基板１０の下面に、上記のような２個の空心コイルの積層構成をなす第１コイル１及び第２コイル２を形成するようにしても良い。

なお、開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 第１コイル
２ 第２コイル
３ コネクタ
４ 電子チップ
５ 回路部品
６ 第１発振回路
７ 第２発振回路
１０ 基板
２０ 渦電流式金属センサ
３０ 金属（被検出物）
４１ 計測部
４２ 調整部
４３ 算出部
４４ 変換部

Claims (14)

1. 金属からなる被検出物の渦電流を検出する渦電流式金属センサにおいて、
   第１コイルを含んで発振する第１発振回路と、
   第２コイルを含んで発振する第２発振回路と、
   前記第１発振回路及び第２発振回路夫々における発振パルス数を計測する計測部と、
   前記計測部による前記第１発振回路における発振パルス数の計測時間、及び、前記計測部による前記第２発振回路における発振パルス数の計測時間の少なくとも一方を調整する調整部と、
   該計測部にて計測したパルス数の差分を算出する算出部と、
   該算出部にて算出した差分を前記被検出物の渦電流に変換する変換部と
   を備えることを特徴とする渦電流式金属センサ。
2. 前記計測部は、前記第１発振回路における発振パルス数と、前記第２発振回路における発振パルス数とを交互に計測するように構成してあることを特徴とする請求項１に記載の渦電流式金属センサ。
3. 前記第１コイル及び第２コイルは、同軸状に配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の渦電流式金属センサ。
4. 前記第１発振回路及び第２発振回路の構成部材は、前記第１コイル及び第２コイルを除いて共通であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の渦電流式金属センサ。
5. その一面に前記第１コイルが配され、その他面に前記第２コイルが配されている基板を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の渦電流式金属センサ。
6. 金属からなる被検出物の渦電流を検出する渦電流検出方法において、
   前記被検出物からの距離が互いに異なる第１コイル及び第２コイルを含む組コイルを配置し、
   前記第１コイルを含んで発振する第１発振回路の発振パルス数、及び、前記第２コイルを含んで発振する第２発振回路の発振パルス数を夫々計測し、
   前記第１発振回路の発振パルス数を計測する第１計測時間、及び、前記第２発振回路の発振パルス数を計測する第２計測時間の少なくとも一方を調整し、
   計測した発振パルス数の差分を算出し、
   算出した差分を前記被検出物の渦電流に変換することを特徴とする渦電流検出方法。
7. 前記第２コイルの前記被検出物からの距離が前記第１コイルの前記被検出物からの距離より短い場合に、前記第２計測時間が前記第１計測時間より相対的に長くなるように前記第１計測時間及び前記第２計測時間の少なくとも一方を調整することを特徴とする請求項６に記載の渦電流検出方法。
8. 金属からなる被検出物の渦電流を検出する渦電流式金属センサにおいて、
   前記被検出物の渦電流によりインダクタンスが変化する第１コイルを含んで発振する第１発振回路と、
   前記被検出物の渦電流によりインダクタンスが変化する第２コイルを含んで発振する第２発振回路と、
   前記第１発振回路及び第２発振回路夫々における発振パルス数を計測する計測部と、
   前記計測部による前記第１発振回路における発振パルス数が所定値となるように計測時間を調整する第１調整部と、
   前記第１調整部で調整した前記第１発振回路における発振パルス数の計測時間、及び、前記第２発振回路における発振パルス数の計測時間の少なくとも一方を、所定の環境下にて計測したそれぞれの発振パルス数に基づいて調整する第２調整部と、
   前記第１調整部及び前記第２調整部による調整後の計測時間で、前記計測部にて計測した発振パルス数の差分を算出する算出部と、
   前記算出部にて算出した差分を前記被検出物の渦電流に変換する変換部と
   を備えることを特徴とする渦電流式金属センサ。
9. 前記第２調整部は前記第２発振回路における発振パルス数の計測時間を調整することを特徴とする請求項８に記載の渦電流式金属センサ。
10. 前記算出部は、前記第１調整部及び前記第２調整部による計測時間の調整後、所定の環境下で、前記計測部にて、前記第１調整部及び前記第２調整部による調整後の計測時間で計測した発振パルス数の差分を算出し、
    前記算出部が算出した差分により、前記第１発振回路における発振パルス数、及び、前記第２発振回路における発振パルス数の少なくとも一方を調整する第３調整部
    をさらに備えることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の渦電流式金属センサ。
11. 前記第３調整部は前記第２発振回路における発振パルス数を調整することを特徴とする請求項１０に記載の渦電流式金属センサ。
12. 上記所定の環境下は基準金属板を用いて、実現すること
    を特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の渦電流式金属センサ。
13. 金属からなる被検出物の渦電流を検出する渦電流検出方法において、
    検知コイル及び基準コイルを同軸上、又は互いの軸が平行でかつ軸方向で重なるようにした組コイルを配置し、
    前記基準コイルを含んで発振する基準発振回路の発振パルス数を、予め定めた初期計測時間で計測し、
    計測した発振パルス数が所定値となるように、前記初期計測時間を調整した第１計測時間を求め、
    求めた前記第１計測時間と同じ時間を第２計測時間に設定し、基準金属板を検知コイル近傍所定位置に配置した後、
    前記第１計測時間で前記基準発振回路の発振パルス数、及び前記第２計測時間で前記検知コイルを含んで発振する検知発振回路の発振パルス数をそれぞれ計測し、
    計測した２つの発振パルス数に基づいて、前記第１計測時間及び前記第２計測時間の少なくとも一方を調整し、
    前記基準金属板が除かれ前記被検出物が存在する環境下で、前記第１計測時間で前記基準発振回路の発振パルス数、及び前記第２計測時間で前記検知発振回路の発振パルス数をそれぞれ計測し、
    計測した発振パルス数の差分を算出し、
    算出した差分を前記被検出物の渦電流に変換することを特徴とする渦電流検出方法。
14. 前記第２計測時間を調整することを特徴とする請求項１３に記載の渦電流検出方法。

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