JP7300851B2

JP7300851B2 - 検出装置

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Publication number: JP7300851B2
Application number: JP2019041153A
Authority: JP
Inventors: 雅人田中; 信博喜入
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2039-03-07
Also published as: JP2020145601A; CN111669162A; CN111669162B

Description

この発明は、近接スイッチを備えた検出装置に関する。

従来から、金属等のように導電性を有する検出体の存在又は接近を判定する近接スイッチ（近接センサ）が知られている（例えば特許文献１参照）。近接スイッチは、検出部で、検出体の存在又は接近に伴う検出用コイルのインピーダンス又はＱ値等の変化を検出することで、検出体の存在又は接近を判定する。Ｑ値は、電磁誘導作用によるインダクタンス損失を示す値であり、Ｑ値が高い程損失が小さいことを表す。
また、使用目的によっては、近接スイッチは、検出体と近接スイッチにおける基準点との間の距離を検出する。基準点は、例えば、検出部先端のステンレスカバーのうちの、検出体と向き合う面上の点である。

また、金属の種別に応じた閾値を用いることで、特定の金属から構成された検出体に対して判定性能の向上を図った近接スイッチも知られている（例えば特許文献２参照）。なお、この近接スイッチでは、用いる閾値は１つであり、実用時には複数の金属のうちの１種類の金属に対して検出可能としている。

特開２０１０－２１６８６３号公報特開２０１７－１３０８９７号公報

従来の近接スイッチでは、用いる閾値は１つであるため、検出体の状態を複数区別して検出できない。よって、検出体の状態を複数区別して検出したい場合には、複数の近接スイッチを用いる必要がある。例えば、従来の近接スイッチを用いて材質の異なる複数の検出体を区別して検出したい場合、複数の近接スイッチを用いる必要がある。

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、単一の近接スイッチで、検出体の状態を複数区別して検出可能な検出装置を提供することを目的としている。

この発明に係る位置検出装置は、導電性を有する検出体と、検出領域に存在する検出体を構成する材質により出力が変わる近接スイッチとを備え、近接スイッチは、検出用コイルと、発振して検出用コイルに高周波磁界を発生させる発振回路と、発振回路による発振の振幅を検波する検波回路と、検波回路により検波された振幅を複数の閾値とそれぞれ比較する比較回路と、比較回路による複数の閾値との比較結果に基づいて、検波回路により検波された振幅が当該複数の閾値から構成される複数の出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力する出力回路と、比較回路に対する複数の閾値を設定する設定入力部とを有し、比較回路は、検波回路により検波された振幅を、第１の閾値と、当該第１の閾値とは異なる値である第２の閾値と、当該第１の閾値と当該第２の閾値との間の値である第３の閾値と、上限値と、それぞれ比較し、出力回路は、比較回路による複数の閾値との比較結果に基づいて、検波回路により検波された振幅が、第１の閾値と第２の閾値から構成される第１の出力範囲内であるかを示す信号と、第３の閾値と上限値から構成される第２の出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力することを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、単一の近接スイッチで、検出体の状態を複数区別して検出可能となる。

実施の形態１に係る検出装置の構成例を示す図である。実施の形態１における近接スイッチの構成例を示す図である。実施の形態１に係る検出装置において、出力回路が有する２つの出力端子からの出力と、検出体を構成する材質との対応関係の一例を示す図である。実施の形態１における近接スイッチに対する閾値設定を説明するための図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る検出装置の構成例を示す図である。
検出装置は、検出体２を検出する。検出装置は、図１に示すように、近接スイッチ１及び検出体２を備えている。

近接スイッチ１は、材質の異なる複数の検出体２を区別して検出可能とする。すなわち、近接スイッチ１は、検出体２を構成する材質により出力が変わる。近接スイッチ１は、センサヘッドである検出部１１と、一端が検出部１１の入出力端に接続されたケーブル１２と、ケーブル１２の他端に接続された複数の出力ピン１３とを有している。なお、近接スイッチ１では、ＩＯ－Ｌｉｎｋ等のように、出力ピン１３の本数が限られている。また、近接スイッチ１が有する複数の出力ピン１３のうち、信号出力に利用可能な出力ピン１３は２本である。また、近接スイッチ１のより詳細な構成例については後述する。

検出体２は、近接スイッチ１が有する検出面（検出部１１の端面）に対向される物体である。検出体２は、金属等のように導電性を有する物体である。検出体２は、例えば、鉄又はアルミニウムから構成されている。

次に、近接スイッチ１の構成例について、図２を参照しながら説明する。
近接スイッチ１は、図２に示すように、検出用コイル１０１、電源１０２、安定化電源回路１０３、発振回路１０４、検波回路１０５、比較回路１０６、出力回路１０７、２系統のトランジスタ１０８（トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１０８ｂ）、及び設定入力部１０９を備えている。また、近接スイッチ１には、２系統の抵抗３（抵抗３ａ及び抵抗３ｂ）が接続されている。

検出用コイル１０１は、コア（不図示）に対して円筒状に巻線され、検出部１１の筐体内に置いて検出面に対向配置されている。
安定化電源回路１０３は、電源１０２から供給された電力により動作し、発振回路１０４、検波回路１０５及び比較回路１０６に対して所定の電圧の電力を供給する。

発振回路１０４は、発振して検出用コイル１０１に高周波磁界を発生させる。検出用コイル１０１が発生する高周波磁界に検出体２が近づくと、検出体２に誘導電流が流れて熱損失が発生し、検出用コイル１０１のインピーダンス又はＱ値等が変化して発振回路１０４による発振が減衰する。なお、発振回路１０４は、検出体２が最も近づいた場合でも発振を維持し、検出用コイル１０１のインピーダンス又はＱ値等の変化に応じて発振の振幅が変化するように構成されていてもよい。
また、例えば、近接スイッチ１が有する検出面にアルミニウムから構成された検出体２が対向している場合にはＱ値は高く、近接スイッチが有する検出面に鉄から構成された検出体２が対向している場合にはＱ値は低くなる。

検波回路１０５は、発振回路１０４による発振の振幅を検波する。すなわち、検波回路１０５は、発振回路１０４による発振の振幅を直流化して整流する。

比較回路１０６は、検波回路１０５により検波された振幅（検出値）を複数の閾値（第１の閾値～第３の閾値及び上限値）とそれぞれ比較する。第２の閾値は、第１の閾値とは異なる値の閾値である。第３の閾値は、第１の閾値と第２の閾値との間の値の閾値である。なお、各閾値（第１の閾値～第３の閾値）は設定入力部１０９により設定される。

出力回路１０７は、比較回路１０６による各閾値との比較結果に基づいて、検波回路１０５により検波された振幅が各出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力する。各出力範囲は、各閾値から構成される範囲である。
具体的には、出力回路１０７は、検波回路１０５により検波された振幅が第１の出力範囲内である場合に、２つの出力端子のうちの一方からオン信号を出力する。また、出力回路１０７は、検波回路１０５により検波された振幅が第２の出力範囲内である場合に、２つの出力端子のうちの他方からオン信号を出力する。第１の出力範囲は、第１の閾値と第２の閾値から構成される範囲である。また、第２の出力範囲は、第３の閾値と上限値から構成される範囲である。すなわち、第１の出力範囲と第２の出力範囲は互いに一部が重複している。出力回路１０７が有する２つの出力端子からの出力と、検出体２を構成する材質との対応関係の一例を図３に示す。

図３では、出力回路１０７が有する２つの出力端子のうちの一方からの出力（第１の出力）として、オン信号が出力されている状態をＯＮとし、オン信号が出力されていない状態をＯＦＦとしている。また、出力回路１０７が有する２つの出力端子のうちの他方からの出力（第２の出力）として、オン信号が出力されている状態をＯＮとし、オン信号が出力されていない状態をＯＦＦとしている。

トランジスタ１０８ａは、ゲート端子が、出力回路１０７が有する２つの出力端子のうちの一方に接続され、エミッタ端子が電源１０２のプラス端子に接続されている。トランジスタ１０８ａは、出力回路１０７が有する２つの出力端子のうちの一方からのオン信号により駆動する。

トランジスタ１０８ｂは、ゲート端子が、出力回路１０７が有する２つの出力端子のうちの他方に接続され、エミッタ端子が電源１０２のプラス端子に接続されている。トランジスタ１０８ｂは、出力回路１０７が有する２つの出力端子のうちの他方からのオン信号により駆動する。

設定入力部１０９は、比較回路１０６に対する各閾値を設定する。設定入力部１０９は、各閾値を、近接スイッチ１が用いられる現場で設定可能である。設定入力部１０９は、トリガ受付部１０９１及び閾値設定部１０９２を有している。

トリガ受付部１０９１は、トリガの入力を受付ける。トリガ受付部１０９１としては、例えば、外部端末からの情報を受信する通信部、又は、押しボタン等の設定用トリガ装置等を用いることができる。

閾値設定部１０９２は、検波回路１０５により検波された振幅の値をトリガ受付部１０９１によりトリガの入力が受付けられる度に検出し、当該検出した各振幅の値に基づいて、比較回路１０６に対する各閾値を設定する。なお、閾値設定部１０９２は、システムＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等により実現される。

この際、閾値設定部１０９２は、出力回路１０７の各出力範囲が互いに一部重複するように、上記各振幅の値の間の値を、当該各出力範囲を構成する各下限値及び各上限値のうちの最上限値を除く値である閾値としてそれぞれ設定する。

なお、抵抗３ａは、一端がトランジスタ１０８ａのコレクタ端子に接続され、他端が電源１０２のマイナス端子に接続されている。抵抗３ａは、トランジスタ１０８ａが駆動することで電源１０２から電力が供給される。
また、抵抗３ｂは、一端がトランジスタ１０８ｂのコレクタ端子に接続され、他端が電源１０２のマイナス端子に接続されている。抵抗３ｂは、トランジスタ１０８ｂが駆動することで電源１０２から電力が供給される。
抵抗３ａ，３ｂとしては、例えばＰＬＣ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）又はリレー等の負荷が挙げられる。

そして、この近接スイッチ１により、抵抗３ａ及び抵抗３ｂに供給される電力から、検出領域に存在する検出体２を検出できる。図１に示すように近接スイッチ１が２つの出力を有する場合、図３に示すように、検出体２の材質が４つの材質（第１の材質～第４の材質）のうちのどの材質であるかを検出可能となる。

次に、実施の形態１における設定入力部１０９による各閾値（第１の閾値～第３の閾値）の設定方法について説明する。図４は、検出体２の材質の差異による近接スイッチ１での検出値の変化の一例を示す図である。図４に示すグラフにおいて、縦軸は近接スイッチ１での検出値を示している。

またこの際、作業者が実際に検出を行いたい材質の検出体２を置いて近接スイッチ１がその際の検出値を得て、閾値設定部１０９２が、出力回路１０７の各出力範囲が互いに一部重複するように、上記各振幅の値の間の値を、当該各出力範囲を構成する各下限値及び各上限値のうちの最上限値（第２の出力範囲を構成する上限値）を除く値である閾値としてそれぞれ設定する。

この場合、図４に示すように、まず、作業者は、異なる４つの材質から成る検出体２をそれぞれ、近接スイッチ１が有する検出面に対向配置する。そして、作業者は、トリガ受付部１０９１に対してトリガを入力し、近接スイッチ１はその際の発振の振幅の値（符号４０１に示す第１の検出値、符号４０２に示す第２の検出値、符号４０３に示す第３の検出値及び符号４０４に示す第４の検出値）を得る。
その後、閾値設定部１０９２は、第１の検出値と第２の検出値との間の値を、第１の出力範囲を構成する下限値（符号４０５に示す第１の閾値）として設定する。
また、閾値設定部１０９２は、第２の検出値と第３の検出値との間の値を、第２の出力範囲を構成する下限値（符号４０６に示す第３の閾値）として設定する。
また、閾値設定部１０９２は、第３の検出値と第４の検出値との間の値を、第１の出力範囲を構成する上限値（符号４０７に示す第２の閾値）として設定する。
以上により、設定入力部１０９は、第１の出力範囲及び第２の出力範囲を構成する各閾値を設定できる。

このように、実施の形態１に係る検出装置では、検出体２を構成する材質毎にチューニングを行う（例えば検出値の中間値を自動的に閾値に設定する）。これにより、実施の形態１に係る検出装置では、単一の近接スイッチ１で、検出体２を構成する材質を複数区別して検出可能となり、従来の複数の近接スイッチを用いた場合と同等の機能が得られる。この検出装置を用いることで、例えば、ある検出体２に対し、当該検出体２と形状は同じ又は類似するが材質の異なる物体の混入を検出することも可能である。

なお、検出体２としては、例えば、鉄とアルミニウムは検出感度に差異があるため、鉄又はアルミニウムから構成された物体を用いることが好ましい。

以上のように、この実施の形態１によれば、検出装置は、導電性を有する検出体２と、検出領域に存在する検出体２を構成する材質により出力が変わる近接スイッチ１とを備え、近接スイッチ１は、検出用コイル１０１と、発振して検出用コイル１０１に高周波磁界を発生させる発振回路１０４と、発振回路１０４による発振の振幅を検波する検波回路１０５と、検波回路１０５により検波された振幅を複数の閾値とそれぞれ比較する比較回路１０６と、比較回路１０６による複数の閾値との比較結果に基づいて、検波回路１０５により検波された振幅が当該複数の閾値から構成される複数の出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力する出力回路１０７と、比較回路１０６に対する複数の閾値を設定する設定入力部１０９とを有する。これにより、実施の形態１に係る検出装置は、単一の近接スイッチ１で、検出体２の状態を複数区別して検出可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１近接スイッチ
２検出体
３，３ａ，３ｂ抵抗
１１検出部
１２ケーブル
１３出力ピン
１０１検出用コイル
１０２電源
１０３安定化電源回路
１０４発振回路
１０５検波回路
１０６比較回路
１０７出力回路
１０８，１０８ａ，１０８ｂトランジスタ
１０９設定入力部
１０９１トリガ受付部
１０９２閾値設定部

Claims

導電性を有する検出体と、
検出領域に存在する前記検出体を構成する材質により出力が変わる近接スイッチとを備え、
前記近接スイッチは、
検出用コイルと、
発振して前記検出用コイルに高周波磁界を発生させる発振回路と、
前記発振回路による発振の振幅を検波する検波回路と、
前記検波回路により検波された振幅を複数の閾値とそれぞれ比較する比較回路と、
前記比較回路による複数の閾値との比較結果に基づいて、前記検波回路により検波された振幅が当該複数の閾値から構成される複数の出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力する出力回路と、
前記比較回路に対する複数の閾値を設定する設定入力部とを有し、
前記比較回路は、前記検波回路により検波された振幅を、第１の閾値と、当該第１の閾値とは異なる値である第２の閾値と、当該第１の閾値と当該第２の閾値との間の値である第３の閾値と、上限値と、それぞれ比較し、
前記出力回路は、前記比較回路による複数の閾値との比較結果に基づいて、前記検波回路により検波された振幅が、前記第１の閾値と前記第２の閾値から構成される第１の出力範囲内であるかを示す信号と、前記第３の閾値と上限値から構成される第２の出力範囲内であるかを示す信号をそれぞれ出力する
ことを特徴とする検出装置。
前記検出体は、鉄から構成された
ことを特徴とする請求項１記載の検出装置。
前記検出体は、アルミニウムから構成された
ことを特徴とする請求項１記載の検出装置。