JP2009264992A - 誘導型近接センサ - Google Patents

Abstract

【課題】コアの外径Ｄに対する検出距離Ｌの比Ｌ／Ｄが大きな誘導型近接センサを提供する。
【解決手段】本発明の誘導型近接センサは、Ｕ形コア１と、前記Ｕ形コア１に巻かれた、発振要素としてのコイル２と、前記コイル２を含む発振回路４３と、前記コイルのＱ値に基づいて二値のＯＮまたはＯＦＦ信号を発生させる比較回路４５と、前記比較回路の出力を増幅する出力回路４６と、を有する。Ｕ形コア１は、近接効果に起因するコイル抵抗増加を抑制して、またより多くの磁束が、より遠くまで検出対象３に作用して検出距離が拡大する。またＵ形コア１に巻かれた、独立した複数個のコイル２１，２２をもつことにより、高感度／高精度動作が可能になる。
【選択図】 図１

Description

この発明は誘導型近接センサの検出距離および検出感度の向上に関するものである。この近接センサには、誘導型近接スイッチを含む。

誘導型近接センサは、工作機械、搬送機械、食品機械などのあらゆる産業分野で利用されている。近接センサ実装時には検出対象（検出物）との距離、平行度などが検出感度および精度に大きく影響すること、自動車、搬送業界などで、誘導型近接センサを適用ないし応用する分野では、検出対象が近接センサの検出面に接触すると、破損や故障の原因となりやすいことから、検出距離の長距離化が要求されてきている。

従来の誘導型近接センサの構造例を図５に示す。この誘導型近接センサは、円筒状ポットコア４１を備える。この円筒状ポットコア４１は、中央円柱状の中央脚４１ａと、この中央脚４１ａの外周を円筒状に取り囲む有底円筒状の外周脚４１ｂと、から構成されている。この中央脚４１ａに巻回される形態でその外周と外周脚４１ｂの内周との間にコイル４２が内蔵されている。そして、このコイル４２に対して、発振回路４３から周波数（ｆ）の励振電流（Ｉｃ（ｆ））を供給することで、磁束（Φ）が発生する。この磁束（Φ）が検出対象４４に作用すると電磁誘導の法則により検出対象４４に渦電流（Ｉｅ）が流れて磁束（Φｅ）が生ずる。検出対象４４とコイル４２との間の変位に応じて磁束量が変化するために、検出対象４４に流れる渦電流（Ｉｅ）が変わり、その結果としてコイル４２の抵抗（Ｒ）とインダクタンス（Ｌ）および（Ｑ値）が変化する。この変化を比較回路４５において基準と比較することにより、（Ｑ値）に基づいて二値のＯＮまたはＯＦＦ信号を発生させて、出力回路４６をとおしてその信号に対応した出力電圧（Ｖｏ）として出力させる。この出力電圧（Ｖｏ）のレベルがＯＮまたはＯＦＦに切り替わる変位が検出距離（Ｌ）である（特許文献１、２参照）。

上記の円筒状ポットコア４１に内蔵のコイル４２が発振要素の場合も検出対象４４に流れる渦電流が変わり、その結果としてコイル４２の抵抗（Ｒ）とインダクタンス（Ｌ）および（Ｑ値）が変化し、同様に出力回路４６の出力電圧（Ｖｏ）がＯＮまたはＯＦＦに切り替わる変位が検出距離Ｌである。
米国特許６８２２４４０ 米国特許７２６２５９５

しかしながら、図５の誘導型近接センサでは、図６に示すように円筒状ポットコア４１の外径（Ｄ）に対する検出距離（Ｌ）の比（Ｌ／Ｄ）が一定の値（Ｋ１）を有しており、長い検出距離（Ｌ）のためには外径（Ｄ）の大きな近接センサを使用する必要があった。そのため、従来の誘導型近接センサでは、検出距離（Ｌ）を長くしようとするとそのコア外径サイズが大形化してくるものとなっていた。そのため、大きな上記比（Ｌ／Ｄ）、すなわち、コア外径サイズに対して従来よりも検出距離（Ｌ）が長い誘導型近接センサが望まれていた。

また、上記用途において誘導型近接センサにおける検出動作の精密化、高速化、高信頼性への要求は増大しているが、この要求を実現するうえでは、近接センサの大形化や２重化が必要で、機械／装置の小形化／高精度化への対応が困難になっており、誘導型近接センサの小型化、高感度化、高信頼性化が望まれていた。

本発明は上記の事情に鑑みて案出されたものであり、上記比（Ｌ／Ｄ）が大きい誘導型近接センサを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。

請求項１にかかる本発明は、Ｕ形のコアと、前記コアに巻かれた、発振要素としてのコイルと、前記コイルを含む発振回路と、前記コイルのＱ値に基づいて二値のＯＮまたはＯＦＦ信号を発生させる比較回路と、前記比較回路の出力を増幅する出力回路と、を有する誘導型近接センサである。

請求項２にかかる本発明は、Ｕ形のコアと、前記コアに巻かれて励振電流が流されるコイルと、前記コイルに励振電流を供給する励磁電流供給回路と、前記コイルのＱ値に基づいて二値のＯＮまたはＯＦＦ信号を発生させる比較回路と、前記比較回路の出力を増幅する出力回路と、を有する誘導型近接センサである。

請求項３にかかる本発明は、請求項１または２に記載の誘導型近接センサにおいて、上記Ｕ形コアは、複数に分割できるコアからなる誘導型近接センサである。

請求項４にかかる本発明は、Ｕ形のコアと、前記コアに巻かれた、磁界検出コイルとしての第１コイルと、前記コアに巻かれて検出対象を励磁する励振電流が流される第２コイルと、前記第１コイルを含む検出／補正発振回路と、前記第２コイルに励振電流を供給する励磁電流供給回路と、前記第１、第２コイルのＱ値に基づいて二値のＯＮまたはＯＦＦ信号を発生させる比較回路と、前記比較回路の出力を増幅する出力回路と、を有する誘導型近接センサである。

以上の本発明では、Ｕ形コアの磁極間距離が長いために、近接効果に起因するコイルの抵抗増加を抑制して、より多くの磁束が、より遠くまで検出対象に作用させることができるようになる結果、検出距離（Ｌ）を拡大させることができる。

上記Ｕ形コアに装着されたコイルが発振要素の場合も同様である。

上記Ｕ形コアが、複数に分割できるコアからなっている場合、複数に分割されたコアにコイルを装着した後にＵ形状にコアを形成するために、組み立てが容易で、かつ安価な誘導型近接センサを提供できる。

本発明では、Ｕ形コアに巻かれた独立した複数個のコイルをもち、センサヘッドの２重化による信頼性向上、または独立した励磁コイルおよび検出コイルによる高感度検出の誘導型近接センサを提供できる。

本発明によれば、小形で長い検出距離を可能にし、高感度／高信頼性、かつ安価な誘導型近接センサを提供できる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態にかかる誘導型近接センサを詳細に説明すると、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の実施の形態にかかる誘導型近接センサの構造を示す。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）では誘導型近接センサの電子回路である発振回路４３、比較回路４５、および出力回路４６の図示は略しているが、図５のそれと同様に、実施の形態の誘導型近接センサは上記電子回路を備えている。図１（ａ）は検出対象を含め誘導型近接センサの、側面から見た断面構成、図１（ｂ）は図１（ａ）の誘導型近接センサを検出対象とは反対方向から見た構成、図１（ｃ）はＵ形コアにおいてその分割状態から組立状態までを示す。実施の形態の誘導型近接センサは、Ｕ形コア１を備える。このＵ形コア１は、互いに平行に対向し脚端面が検出対象３の方向に向け延びる同一脚長を有する一対のコア脚１ａ，１ｂと、これらコア脚１ａ，１ｂを、それらの上記平行対向を維持した状態にして、連結するヨーク部１ｃと、を一体化して構成されている。このヨーク部１ｃにはコイル２が装着されている。

コイル２はヨーク部１ｃに直接巻回してもよいが、ボビンに取り付けた形態とか、耐熱樹脂モールドで一体化した形態の場合では、Ｕ形コア１を複数のコアで構成し分割可能とすることでＵ形コア１に装着可能としてもよい。例えば、Ｕ形コア１を図１（ｃ）のｃ１で示すように、例えばＬ形コア１１と、Ｉ形コア１２との組み合わせで構成する。Ｌ形コア１１は上記コア脚１ａとヨーク部１ｃを構成するコア部分１１ａ，１１ｂを備え、Ｉ形コア１２は上記コア脚１ｂを構成する。そして、図１（ｃ）のｃ２で示すように、Ｌ形コア１１のコア部分１１ｂにコイル２を装着した後、図１（ｃ）のｃ３で示すように、Ｌ形コア１１と、Ｉ形コア１２とを組み付けることで、Ｕ形コア１を製作することができる。コイル２はコア部分１１ｂに巻回して組み付けるのではなく、成型されていて中央の挿通穴にコア部分１１ｂを通すことでコア部分１１ｂに装着組み付けすることができるようになっている。

また、Ｕ形コア１のコア脚１ａ，１ｂのコア端面と対面する位置に金属製の検出対象３が配置されている。周波数（ｆ）の励振電流がコイル２に流れると、図示するごとく３つの形態の磁束（Φａ），（Φｂ），（Φｃ）が発生する。これら磁束（Φａ），（Φｂ），（Φｃ）は、（１）コイル２内を貫通する磁束（Φａ）、（２）コア脚１ａから出て、検出対象３まで届かずにコア脚１ｂに戻ってくる磁束（Φｂ）、（３）コア脚１ａから出て、検出対象３まで届きその後にコア脚１ｂに戻る磁束（Φｃ）、に分類される。上記図５の円筒状ポットコア４１に内蔵したコイル４２が発振要素の場合も同様な構造（電子回路は省略）であり、同様な磁束分布をする。

図２は、コイル２のＱ値−変位ｘ（ｍ）、およびｄＱ／ｄｘ−変位ｘ（ｍ）の特性を示す。コイル２のＱ値は変位ｘ（ｍ）に対して単調増加しており、また、ｄＱ／ｄｘはある変位ｘ（ｍ）で最大となり、その後は、単調減少する。ｄＱ／ｄｘ＝…となる変位ｘ（ｍ）が検出距離（Ｌ）であり、このときのＱ値に基づいて比較回路においてＯＮとＯＦＦ信号を発生させている。コイルのＱ値は、検出対象３の変位ｘ（ｍ）に依存しており、数１で与えられる。

ここに、ｆ：励振電流の周波数（Ｈｚ）、Ｌ：コイル２のインダクタンス（Ｈ）、Ｒ：コイル２の交流抵抗（Ω）、Ｒｄｃ：コイル２の直流抵抗（Ω）、Ｒｓ：コイル導線の表皮効果に起因する抵抗（Ω）、Ｒｐ：コイル２の近接効果に起因する抵抗（Ω）、Ｒｃ：コア１の鉄損に起因する抵抗（Ω）、Ｒｍ（ｘ）：検出対象３の鉄損に起因する抵抗（Ω）である。

上記数１において、コイル１のインダクタンス（Ｌ）は変位ｘ（ｍ）によらず一定である。抵抗（Ｒｐ）は前述した項目（１）のコイル２内を貫通する磁束（Φａ）に起因しており、また、抵抗（Ｒｃ）はコア１内を磁束が通ることによって生じている。さらに、抵抗Ｒｍ（ｘ）は、前述した項目（３）のコア１から出て検出対象まで届きその後にコア２に戻る磁束（Φｃ）、に起因している。

誘導型近接センサではコイル２のＱ（ｘ）に基づいてＯＮとＯＦＦ動作を行っており、安定した動作を行うためには、数２に示したＱ（ｘ）の変位ｘ（ｍ）に対する微分ｄＱ（ｘ）／ｄｘが大きいことが必要である。

数２において、ｄＱ（ｘ）／ｄｘを大きく、すなわち検出距離Ｌを拡大するためには、周波数（ｆ）を高くする、インダクタンス（Ｌ）を大きくする必要がある。さらに、コイル２の直流抵抗（Ｒｄｃ）、表皮効果に起因する抵抗（Ｒｓ）、コイルの近接効果に起因する抵抗（Ｒｐ）およびコアの鉄損に起因する抵抗（Ｒｃ）を小さく、ｄＲｍ（ｘ）／ｄｘを大きくすれば良いことを示唆している。上記インダクタンス（Ｌ），抵抗（Ｒｄｃ），（Ｒｓ）は励振周波数（ｆ）とコイル導線の導体径およびコイル２の巻数を適切に選定することで最適化でき、また、低鉄損特性を有するコア２を採用することで抵抗（Ｒｃ）を低減できる。これらのことは、本発明および従来技術においても共通の事項であり、以下では、本発明の特長である抵抗（Ｒｐ）の低減とｄＲｍ（ｘ）／ｄｘ特性の向上に着目して説明する。

図５に示した従来技術の誘導型近接センサの磁束も前述したように以下の３種類、すなわち （１）コイル４２内を貫通する磁束（Φａ）、（２）中央脚４１ａから出て検出対象４４まで届かずに外周脚４１ｂに戻ってくる磁束（Φｂ）、（３）中央脚４１ａから出て検出対象４４まで届きその後に外周脚４１ｂに戻る磁束（Φｃ）、に分類される。

図１に示した本発明の誘導型近接センサは、図５に示した従来技術の誘導型近接センサと比較して以下の利点がある。本発明では、コア脚１ａ，１ｂ間の距離が従来技術より長いために、コイル２内を貫通する磁束が少なくなり、近接効果に起因する抵抗（Ｒｐ）が小さくなる。また、同様の理由によって、より多くの磁束が検出対象３に、より遠くまで作用して、ｄＲｍ（ｘ）／ｄｘ特性が向上する。したがって、数２に示したｄＱ（ｘ）／ｄｘが従来技術よりも大きくなって検出距離Ｌが拡大する。

図３は、本発明と従来技術の検出距離（Ｌ）−コア外径（Ｄ）特性を比較する図である。上述した理由によって、上記特性において本発明は従来技術よりも向上する。

本発明において、Ｕ形のコア１はコア脚１ａとコア脚１ｂとに２分割された実施例を示したが、こうした２分割コアに限定されるものではない。

図４は、Ｕ形コア１に巻かれ独立した２個のコイル２１，２２をもつ構成例である。コイル２１は検出専用として、検出／補正回路４に接続され、コイル２２は検出対象３への励磁専用として、発振／励磁回路５に接続されている。検出／補正回路４と発振／励磁回路５それぞれの後段側に、制御・演算回路６が接続され、この制御・演算回路６には表示部７、出力回路８が接続されている。上記構成例においては、励磁電流に重畳された検出対象３の渦電流による電流変化検出に比べて信号対ノイズ比のよい高感度な検出ができる。また、制御・演算回路６内のＣＰＵにより、上記発振、検出、補正、表示、外部出力をきめ細かく制御することができる。

本発明における誘導型近接センサの構造を示す図である。 コイルのＱ（ｘ）値およびｄＱ（ｘ）／ｄｘ−変位特性を示す図である。 本発明と従来技術の検出距離−コアの外径特性の比較を示す図である。 独立した２個のコイルを有する高感度渦電流近接センサ構成例を示す図である。 従来技術の誘導型近接センサの構造を示す図である。 従来技術の検出距離−コアの外径特性を示す図である。

符号の説明

１ Ｕ形コア
２ コイル
３ 検出対象

Claims (4)

1. Ｕ形のコアと、
   前記コアに巻かれた、発振要素としてのコイルと、
   前記コイルを含む発振回路と、
   前記コイルのＱ値に基づいて二値のＯＮまたはＯＦＦ信号を発生させる比較回路と、
   前記比較回路の出力を増幅する出力回路と、
   を有する誘導型近接センサ。
2. Ｕ形のコアと、
   前記コアに巻かれて励振電流が流されるコイルと、
   前記コイルに励振電流を供給する励磁電流供給回路と、
   前記コイルのＱ値に基づいて二値のＯＮまたはＯＦＦ信号を発生させる比較回路と、
   前記比較回路の出力を増幅する出力回路と、
   を有する誘導型近接センサ。
3. 上記Ｕ形コアは、複数に分割できるコアからなる請求項１または２に記載の誘導型近接センサ。
4. Ｕ形のコアと、
   前記コアに巻かれた、磁界検出コイルとしての第１コイルと、
   前記コアに巻かれて検出対象を励磁する励振電流が流される第２コイルと、
   前記第１コイルを含む検出／補正発振回路と、
   前記第２コイルに励振電流を供給する励磁電流供給回路と、
   前記第１、第２コイルのＱ値に基づいて二値のＯＮまたはＯＦＦ信号を発生させる比較回路と、
   前記比較回路の出力を増幅する出力回路と、
   を有する誘導型近接センサ。

Images