KR20190100842A - 근접 센서 - Google Patents

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KR20190100842A
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circuit
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KR1020180137963A
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다쿠야 오카모토
유스케 나카야마
히로유키 츠치다
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오므론 가부시키가이샤
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Abstract

주기적인 노이즈의 영향을 저감할 수 있는 근접 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 근접 센서(100)는 자계를 이용하여 검출체(200)를 검출하는 근접 센서(100)로서, 자계를 발생시키는 검출 코일(11); 검출 코일(11)에 펄스상의 여자 전류를 반복 공급하는 여자 회로(20); 여자 전류의 공급이 차단된 후의 소정 기간에 검출 코일(11)의 양단에 발생한 전압에 기초하여 검출체(200)를 검출하는 검출 회로(30); 및 검출 코일(11)로의 여자 전류의 공급을 차단하는 타이밍이 비주기적이 되도록 여자 회로(20)를 제어하는 제어 회로(40);를 구비한다.

Description

근접 센서{Proximity sensor}
본 발명은 근접 센서에 관한 것이다.
특허 문헌 1에는 자계를 발생시키는 검출 코일과, 검출 코일에 펄스상의 여자(勵磁) 전류를 주기적으로 공급하는 여자 회로와, 여자 전류의 공급이 차단된 후에 검출 코일의 양단에 발생한 전압에 기초하여 금속체의 유무 등을 검출하는 검출 회로와, 제어 회로를 구비하는 근접 센서가 개시되어 있다. 제어 회로는 여자 전류의 공급 기간이 여자 전류의 공급 차단 기간 이상이 되도록 여자 회로를 제어한다. 이에 따라, 검출체의 두께에 의한 검출 거리의 변동을 억제할 수 있다.
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 근접 센서와 같이, 검출 코일로 여자 전류를 주기적으로 공급하면, 예컨대 인버터 등의 주기적인 펄스 발생원이 근방에 있는 경우, 당해 펄스의 주기가 여자 전류의 주기와 합쳐지게 되면, 근접 센서가 당해 펄스에 의한 노이즈의 영향을 받게 된다.
[특허문헌 1] 일본 공개특허 특개2009－059528호 공보
따라서, 본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 주기적인 노이즈의 영향을 저감할 수 있는 근접 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 근접 센서는, 자계를 이용하여 검출체를 검출하는 근접 센서로서, 자계를 발생시키는 검출 코일; 검출 코일에 펄스상의 여자 전류를 반복 공급하는 여자 회로; 여자 전류의 공급이 차단된 후의 소정 기간에 검출 코일의 양단에 발생한 전압에 기초하여 검출체를 검출하는 검출 회로; 및 검출 코일로의 여자 전류의 공급을 차단하는 타이밍이 비주기적이 되도록 여자 회로를 제어하는 제어 회로;를 구비한다.
본 실시 형태에 따르면, 검출 코일로의 여자 전류의 공급을 차단하는 타이밍이 비주기적이 되기 때문에, 검출 코일의 전압을 검출하는 기간의 개시 시점이 비주기적이 된다. 따라서, 외부로부터의 노이즈가 주기적이라 하더라도, 상기 전압의 각 검출 기간에 노이즈가 나타날 확률이 적게 된다. 따라서, 주기적인 노이즈에 의한 근접 센서에 대한 영향이 저감 된다.
상기 일 실시 형태에 따른 근접 센서에 있어서, 제어 회로는 여자 회로가 검출 코일로 여자 전류를 공급하는 공급 기간과, 여자 회로가 검출 코일로 여자 전류를 공급하지 않는 차단 기간 중 적어도 어느 하나를 변동시킴으로써, 검출 코일로의 여자 전류의 공급을 차단하는 타이밍이 비주기적이 되도록 여자 회로를 제어할 수 있다. 본 실시 형태에 따르면, 간편한 방법으로 주기적인 노이즈에 의한 근접 센서에 대한 영향을 저감할 수 있다.
상기 일 실시 형태에 따른 근접 센서는 난수(亂數)를 생성하는 난수기를 더 구비하고, 제어 회로는 난수기에 의해 생성된 난수에 기초하여 검출 코일로의 여자 전류의 공급을 차단하는 타이밍이 비주기적이 되도록 여자 회로를 제어할 수 있다. 본 실시 형태에 따르면, 주기적인 노이즈에 의한 근접 센서에 대한 영향을 간단하게 저감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 주기적인 노이즈의 영향을 저감할 수 있는 근접 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 실시 형태에 따른 근접 센서의 개략 블록도이다.
도 2는 실시 형태에 따른 근접 센서의 기본 부분의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 실시 형태에 따른 검출 코일에 발생하는 여자 전류 및 코일 전압을 설명하기 위한 개략 파형도이다.
도 4는 종래의 근접 센서에 의한 동작 파형도의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시 형태에 따른 근접 센서에 의한 동작 파형도의 일 예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 실시의 형태(이하, "본 실시 형태"라고도 표기함)를 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서, 동일한 부호를 부여한 것은 동일 또는 동일한 구성을 갖는다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 근접 센서의 개략 블록도를 예시한다. 근접 센서(100)는 자계를 이용하여 검출체를 검출하는 근접 센서로서, 예컨대, 검출 코일(11), 보조 코일(12), 방전 저항(13), 여자 회로(20), 검출 회로(30), 제어 회로(40), 및 난수기(50)를 구비한다.
검출 코일(11)은, 예컨대, 2개의 단자를 갖는 코일이다. 검출 코일(11)에는 후술하는 여자 회로(20)로부터 여자 전류가 공급된다. 검출 코일(11)은 검출 코일(11)에 공급된 여자 전류에 기초하여 자계를 발생시킨다. 또한, 검출 코일(11)의 측면은 금속 케이스에 의해 덮여 있을 수도 있다.
보조 코일(12)는, 예컨대, 근접 센서(100)의 금속 케이스체(미도시)나 근접 센서(100)가 설치되는 주위 금속(미도시)에 검출 코일(11)로부터의 자속이 쇄교(interlinkage) 되지 않도록 하기 위해, 그 자속을 소거하는 방향으로 자계를 발생시킨다. 이를 위해, 도 1에 도시한 바와 같이, 보조 코일(12)은, 예컨대, 검출 코일(11)과 직렬로 접속되고, 그 권선 방향은 검출 코일(11)의 권선 방향과 반대가 된다. 또한, 보조 코일(12)은 검출 코일(11)의 외측에 배치된다.
방전 저항(13)은, 예컨대, 검출 코일(11)의 방전을 신속하게 수속(收束)시키기 위한 저항이다. 방전 저항(13)의 저항값을 R로 하고, 검출 코일(11)의 인덕턴스(inductance)를 L로 하면, 검출 코일(11)의 방전시의 시정수는 (L/R)에 비례한다.
여자 회로(20)는 검출 코일(11)로 펄스상의 여자 전류를 반복 공급하는 회로로서, 예컨대, 스위치(21~24) 및 정전류 회로(25, 26)를 포함한다. 스위치(21, 22)는 제어 회로(40)로부터의 신호(S1)에 따라 동일한 동작을 수행할 수 있고, 예컨대, 동시에 온(on) 및 오프(off)할 수 있다. 또한, 스위치(23, 24)는 제어 회로(40)로부터의 신호(S2)에 따라 동일한 동작을 수행할 수 있으며, 예컨대, 동시에 온 및 오프할 수 있다.
정전류 회로(25, 26)는, 예컨대, 검출 코일(11)로 여자 전류를 공급하기 위한 회로이다. 스위치(21, 22)가 온 되면, 검출 코일(11)의 도 1에 도시한 ＋ 방향으로, 정전류 회로(25)로부터 공급되는 여자 전류가 흐른다. 또한, 스위치(23, 24)가 온 되면, 검출 코일(11)의 도 1에 도시한 - 방향으로, 정전류 회로(26)로부터 공급되는 여자 전류가 흐른다.
검출 회로(30)는 검출 코일(11)의 양단에 발생하는 전압에 기초하여 검출체(200)를 검출하는 회로이다. 검출 회로(30)는, 예컨대, 증폭 회로(31), 동기 검파 회로(32), 절환 회로(33), 로우 패스 필터(low pass filter)(도면에서는, LPF로 도시됨)(34), AD 컨버터(도면에서는 ADC로 도시됨)(35), 및 비교부(36)를 포함한다.
증폭 회로(31)는, 예컨대, 검출 코일(11)의 양단 간 전압을 증폭한다. 동기 검파 회로(32)는, 예컨대, 제어 회로(40)로부터 공급되는 제어 신호에 따라 증폭 회로(31)의 출력 전압의 검파를 행한다. 절환 회로(33)는, 예컨대, 제어 회로(40)로부터 공급되는 제어 신호에 따라 동기 검파 회로(32)의 출력 전압을 로우 패스 필터(34)로 출력할지 여부를 절환한다.
로우 패스 필터(34)는, 예컨대, 절환 회로(33)로부터의 전압(즉, 동기 검파 회로(32)로부터의 전압)을 적분하는 적분 회로로서 기능 한다. AD 컨버터(35)는, 예컨대, 로우 패스 필터(34)의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하고, 그 디지털 신호를 비교부(36)로 출력한다. 비교부(36)는, 예컨대, AD 컨버터(35)가 출력한 디지털 신호를 소정의 문턱값과 비교하고, 당해 비교 결과에 따라 검출체의 유무를 나타내는 신호를 출력한다. 비교부(36)는 당해 디지털 신호가 소정의 문턱값 이상인 경우, 검출체가 근접 센서의 동작 영역 내에 존재함을 나타내는 신호를 출력하고, 당해 디지털 신호가 소정의 문턱값 미만인 경우, 검출체가 근접 센서의 동작 영역 내에 존재하지 않음을 나타내는 신호를 출력한다.
제어 회로(40)는, 예컨대, 동기 검파 회로(32) 및 절환 회로(33) 각각에 제어 신호를 공급함으로써 이들을 제어한다. 또한, 제어 회로(40)는, 예컨대, 후술하는 난수기(50)로부터 공급되는 난수에 기초하여 스위치(21, 22)를 온으로 하기 위한 신호(S1), 및 스위치(23, 24)를 온으로 하기 위한 신호(S2)의 하강 타이밍이 비주기적이 되도록, 당해 신호를 스위치(21~24)로 공급한다. 여기서, "비주기적"은 어떤 동작이 반복적으로 발생하는 경우, 하나의 동작과 다음의 동작 간 시간적 간격이 소정 기간에 있어서 적어도 한 번 변동하는 것을 포함한다. 또한, "비주기적"은 하나의 동작과 다음의 동작 간 시간적 간격이 소정의 기간에 있어서 항상 변동하는 경우를 포함할 수 있다. 이에 따라, 후술하는 검출 기간(D)의 개시 시점을 규정하는 타이밍, 즉, 검출 코일(11)로 공급되는 여자 전류가 차단되는 타이밍이 비주기적이 된다. 구체적으로, 제어 회로(40)는, 예컨대, 여자 회로(20)가 검출 코일(11)로 여자 전류를 공급하는 공급 기간과, 여자 회로(20)가 검출 코일(11)로 여자 전류를 공급하지 않는 차단 기간 중 적어도 어느 하나를 변동시키도록 신호(S1 및 S2)를 생성할 수 있다.
난수기(50)는 난수를 생성하고, 생성한 난수를 제어 회로(40)로 공급한다. 난수기(50)의 구성은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대, 하드웨어 또는 소프트웨어 중 어느 것으로도 구성 가능하다.
이어서, 도 2 및 도 3을 이용하여 본 실시 형태에 따른 근접 센서의 동작 원리를 설명한다. 도 2는 근접 센서의 기본 부분의 개략 구성을 예시한다. 도 3은 검출 코일에 발생하는 여자 전류 및 코일 전압을 설명하기 위한 개략 파형도를 예시한다.
도 2의 예에 있어서, 근접 센서(100)는 검출 코일(11), 검출 코일(11)이 권선된 코어(14), 방전 저항(13), 검출 코일(11)에 여자 전류를 공급하기 위한 정전류 회로(26), 신호(S1)에 응답하여 온/오프하는 스위치(SW), 증폭 회로(31), 제어 회로(40)로부터 공급되는 제어 신호에 응답하여 온/오프하는 절환 회로(33), 및 로우 패스 필터(34)가 도시된다. 또한, 도 2의 스위치(SW)는, 도 1에 도시한 스위치(21, 22)를 통합하여 도시한 것이다.
도 3의 예에서는, 우선 시각 t1에 있어서 신호(S1)가 상승함으로써 스위치(SW)가 온 된다. 이에 따라, 검출 코일(11)로 여자 전류(IL)가 흐름과 더불어, 검출 코일(11)의 코일 전압(VL)이 소정의 시정수(L/R)에서 상승한다. 이어서, 시각 t2에 있어서 신호(S1)가 하강함으로써 스위치(SW)가 오프 된다. 이에 따라, 검출 코일(11)로의 여자 전류(IL)의 공급이 차단된다.
검출체(200)가 근접 센서(100) 근방에 배치되지 않은 경우, 검출 코일(11)로의 여자 전류(IL)의 공급이 차단되면, 곡선(k1)으로 나타낸 바와 같이, 검출 코일(11)의 코일 전압(VL)은 방전 저항(13)에 의해 급격하게 저하된다.
한편, 검출체(200)가 근접 센서(100) 근방에 배치되어 있는 경우, 검출 코일(11)로의 여자 전류(IL)의 공급이 차단되면, 곡선(k2)으로 나타낸 바와 같이, 곡선(k1)보다 완만하게 검출 코일(11)의 코일 전압(VL)이 감소한다. 이는 다음과 같은 원리에 기초한다. 즉, 검출체(200)가 근접 센서(100) 근방에 배치되어 있는 경우, 시각 t1~t2 기간 동안, 검출 코일(11)에 의해 검출체(200)로 자속이 공급된다. 그리고 시각 t2에 있어서, 검출 코일(11)로의 전류 공급이 차단되면, 검출 코일(11)로부터의 검출체(200)로의 자속의 공급도 차단됨으로써, 검출체(200)에 와전류가 발생한다. 그리고 당해 와전류에 의해 발생한 자속이 검출 코일(11)에 쇄교함으로써, 검출 코일(11)에 유기 전압이 발생한다. 이 유기 전압의 시정수는 검출 코일(11) 자체의 유기 전압의 시정수보다 크다. 그 때문에, 코일 전압(VL)은 곡선(k2)에 나타낸 바와 같이, 곡선(k1)보다 완만하게 감소한다.
검출 회로(30) 및 제어 회로(40)는 상술한 바와 같은 검출체(200)의 유무에 따른 코일 전압(VL)의 파형의 차이에 기초하여 검출체(200)의 유무를 검출한다. 구체적으로는 검출 코일(11)에 발생한 코일 전압(VL)은 증폭 회로(31)에 의해 증폭되고, 동기 검파 회로(32)로 출력된다. 동기 검파 회로(32)는 제어 회로(40)로부터 공급되는 제어 신호에 따라 증폭 회로(31)로부터 출력된 출력 전압을 검파하고, 소정의 검파 신호를 절환 회로(33)로 출력한다. 제어 회로(40)는 시각 t2에서부터 소정 기간이 경과한 시각 t3에 이르기까지의 검출 기간(D)에 있어서 절환 회로(33)가 온 되는 제어 신호를 절환 회로(33)로 공급한다.
검출 기간(D)에서는, 동기 검파 회로(32)가 출력한 검파 신호는 절환 회로(33)를 통해 로우 패스 필터(34)로 출력된다. 로우 패스 필터(34)는 절환 회로(33)를 통해 동기 검파 회로(32)로부터 입력된 검파 신호를 시간 적분함으로써 평활화하고, AD 컨버터(35)로 출력한다. AD 컨버터(35)는 로우 패스 필터(34)로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 비교기(36)로 출력한다. 비교기(36)는 AD 컨버터(35)로부터 출력된 디지털 신호를 소정의 문턱값과 비교함으로써, 검출체(200)의 유무를 판정한다.
또한, 상술한 검출 기간(D)은 시각 t2로부터 소정 기간(마스크(mask) 시간)이 경과한 시점부터 개시할 수 있다.
이어서, 도 4 및 도 5를 이용하여, 본 실시 형태에 의한 주기적인 노이즈의 영향이 삭감되는 효과에 대해 설명한다. 이하, 제어 회로(40)가 신호(S1 및 S2)를 교대로 공급함으로써, 검출 코일(11)에, 도 1에 도시한 ＋ 방향 및 - 방향의 여자 전류를 서로 번갈아 흐르게 하는 방식(이른바, "교호(交互) 여자 방식")에 의해 동작하는 경우를 예로 설명한다.
도 4는 종래의 근접 센서에 의한 동작 파형도의 일 예를 예시한다. 당해 종래의 근접 센서는 난수기(50)를 구비하지 않은 점을 제외하고, 기본적으로 본 실시 형태에 의한 근접 센서(100)와 동일한 구성을 구비하는 것으로 한다. 또한, 당해 종래의 근접 센서 근방에는 주기적인 펄스상의 출력 전압을 생성하는 인버터가 배치되어 있는 것으로 한다.
도 4의 예에 있어서, 제어 회로(40)로부터는 스위치(21 및 22)를 온으로 하기 위한 펄스상 신호(S1)와, 스위치(23 및 24)를 온으로 하기 위한 펄스상 신호(S2)가 소정의 주기(T)에 의해 여자 회로(20)로 공급된다. 그리고 신호(S1 및 S2) 각각의 하강으로부터 소정의 검출 기간(D)에서 검출 코일(11)에 발생하는 검출 신호(코일 전압(VL))에 기초하여 검출 회로(30) 및 제어 회로(40)에 의해 검출체(200)의 유무가 판정된다.
여기서, 종래의 근접 센서 근방에 배치된 인버터는 상술한 신호(S1 및 S2)의 주기(T)와 거의 동등한 주기로 펄스상 출력 전압을 생성하는 것으로 한다. 이 때, 종래의 근접 센서 및 인버터의 동작 타이밍에 따라 검출 기간(D)에 있어서 검출 신호(코일 전압(VL))에 인버터의 출력 전압에 기인한 노이즈가 발생한다. 예컨대, 도 4의 예에서는, 복수의 검출 기간(D) 모두에 거의 동일한 타이밍으로 검출 신호에 노이즈가 나타나 있다. 이에 따라, 종래의 근접 센서는 검출체(200) 근방에 배치되어 있지 않음에도 불구하고, 검출체(200)가 검출된 것으로 잘못 판정하게 된다. 또한, 인버터의 출력 전압의 주기는 종래의 근접 센서에 의한 신호(S1 및 S2)의 주기(T)와 동등하기 때문에, 소정 기간에 있어서의 검출 신호 평균화 처리나, 카운트 처리를 실행하더라도, 이러한 주기적인 노이즈의 영향은 배제할 수 없다.
도 5는 본 실시 형태에 의한 근접 센서에 의한 동작 파형도의 일 예를 예시한다. 당해 근접 센서(100) 근방에는 상술한 바와 같은 인버터가 배치되어 있는 것으로 한다.
도 5의 예에 있어서, 제어 회로(40)는 스위치(21 및 22)를 온으로 하기 위한 펄스상 신호(S1)와, 스위치(23 및 24)를 온으로 하기 위한 펄스상 신호(S2)를 서로 번갈아 반복하여 여자 회로(20)로 공급한다. 이때, 제어 회로(40)는 신호(S1 및 S2)의 하강 타이밍이 비주기적이 되도록, 신호(S1 및 S2)를 생성한다. 구체적으로, 도 5의 예에서는, 신호(S1(S2))가 하강하였을 때에서부터, 그 직후에 신호(S2(S1))가 하강하였을 때에 이르기까지의 기간을 차례로 “T＋α1”, “T＋α2” 등으로 나타낼 수 있다. 여기서, T는 소정의 고정값이고, α1, α2,...등을 각각이 다른 값을 취할 수 있는 변수로 한다. 이에 따라, 검출 코일(11)로의 여자 전류의 공급을 차단하는 타이밍이 비주기적이 되기 때문에, 검출 기간(D)의 개시 시점도 비주기적이 된다.
그리고 검출 기간(D)의 개시 시점이 비주기적이기 때문에, 외부로부터의 노이즈가 주기적이라 하더라도, 검출 기간(D)에 있어서 노이즈가 검출 신호에 나타날 확률이 적게 된다. 예컨대, 도 5의 예에서는, 복수의 검출 기간(D) 중 몇 개에서는 검출 신호에 인버터에 의한 노이즈가 나타나지 않았음을 알 수 있다. 또한, 비록 노이즈가 검출 신호에 나타났다고 하더라도, 검출 기간(D)에서 노이즈가 검출 신호에 나타나는 타이밍은 일정하지 않게 된다. 예컨대, 도 5의 예에서는, 검출 신호에 인버터에 의한 노이즈가 나타난 경우라 하더라도, 당해 노이즈가 나타난 타이밍이 검출 기간(D)마다 다를 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 근접 센서(100)에 의해 주기적인 노이즈의 영향이 저감되었다고 할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는 검출 코일로의 여자 전류의 공급을 차단하는 타이밍이 비주기적이 되기 때문에, 검출 기간의 개시 시점이 비주기적이 된다. 따라서, 노이즈가 주기적이라 하더라도, 검출 기간에 있어서 노이즈가 검출 신호에 나타날 확률이 적게 되고, 또한 비록 노이즈가 검출 신호에 나타났다 하더라도, 검출 기간에 있어서 노이즈가 검출 신호에 나타나는 타이밍은 일정하지 않게 된다. 따라서, 주기적인 노이즈에 의한 근접 센서에 대한 영향이 저감된다.
11 검출 코일
12 보조 코일
13 방전 저항
14 코어
20 여자 회로
21·22·23·24·SW 스위치
25·26 정전류 회로
30 검출 회로
31 증폭 회로
32 동기 검파 회로
33 절환 회로
34 로우 패스 필터
35 AD 컨버터
36 비교부
40 제어 회로
50 난수기
100 근접 센서
200 검출체

Claims (3)

  1. 자계를 이용하여 검출체를 검출하는 근접 센서로서,
    자계를 발생시키는 검출 코일;
    상기 검출 코일에 펄스상의 여자 전류를 반복 공급하는 여자 회로;
    상기 여자 전류의 공급이 차단된 후의 소정 기간에 상기 검출 코일의 양단에 발생한 전압에 기초하여 검출체를 검출하는 검출 회로; 및
    상기 검출 코일로의 여자 전류의 공급을 차단하는 타이밍이 비주기적이 되도록 상기 여자 회로를 제어하는 제어 회로;
    를 구비하는, 근접 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 여자 회로가 상기 검출 코일로 여자 전류를 공급하는 공급 기간과, 상기 여자 회로가 상기 검출 코일로 여자 전류를 공급하지 않는 차단 기간 중 적어도 어느 하나를 변동시킴으로써, 상기 검출 코일로의 여자 전류의 공급을 차단하는 타이밍이 비주기적이 되도록 상기 여자 회로를 제어하는, 근접 센서.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    난수를 생성하는 난수기;
    를 더 구비하고,
    상기 제어 회로는 상기 난수기에 의해 생성된 난수에 기초하여 상기 검출 코일로의 여자 전류의 공급을 차단하는 타이밍이 비주기적이 되도록 상기 여자 회로를 제어하는, 근접 센서.
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