(57)【要約】【課題】、従来の高温近接センサの検出精度向上、低価格化、長寿命化と、マルチセンサ近接センサおよびマルチ近接センサシステムを提供する。【解決手段】高速・高機能、電源供給機能を有したシリアル通信技術、磁性メッキ線コイル応用およびＣＰＵの制御・推論ソフトウエアを用いた分離および一体型高温近接センサ。【選択図】図１
2009071486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
当該高温近接センサを、２００℃以上の高温環境内に設置される高温環境内近接センサ部と通常温度環境内に設置される通常温環境内近接センサ部とに分離し、上記両近接センサ部間を、耐熱ケーブルを用いて、１０Ｍｂｐｓ以上の高速通信機能、周辺機器同士で直接コミュニケーションできるＯＴＧ（Ｏｎ−Ｔｈｅ−Ｇｏ）機能、電源供給機能および活線挿し抜き機能（Ｐｌｕｇ  ＆  Ｐｌａｙ）を有したシリアル通信で接続した、ことを特徴とする高温近接センサ。
【請求項２】
上記高温環境内近接センサ部は、センサヘッド部と、温度補償回路部と、少なくとも発振・励磁・検出・シリアル通信制御を行う電子回路部とで構成し、
上記通常温環境内近接センサ部は、少なくとも、シリアル通信制御部と、発振・励磁・検出・精度向上・故障診断・動作表示等の実行（オブジェクト）ソフトウエアがインストールされたＣＰＵ部と、動作表示部と、電源回路部とで構成した、ことを特徴とする請求項１に記載の高温近接センサ。
【請求項３】
上記高温環境内近接センサ部のセンサヘッド部に磁性メッキ線コイルを用いた、ことを特徴とする請求項１または２に記載の高温近接センサ。
【請求項４】
上記シリアル通信に有線および無線のＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）またはＩＥＥＥ１３９４（ＦｉｒｅＷｉｒｅおよびi.linkなど）を用いた、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高温近接センサ。
【請求項５】
上記ＵＳＢ通信は、高温環境内近接センサ部を１２７台まで、１台の通常温環境内の近接センサ部に接続でき、さらにこの複数台同士が情報交換可能なマルチセンサヘッド構成とした、ことを特徴とする請求項４に記載の高温近接センサ。
【請求項６】
上記高温環境内近接センサ部内および通常温環境内近接センサ部の発振回路の状態および検出信号の状態およびこれらのトレンド状態および電源状態等の故障診断機能および動作表示機能を有する構成とした、ことを特徴とする請求項２に記載の高温近接センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下の検出物を非接触で高周波励磁し、且つ検出物に発生した渦電流によるインピーダンス変化や共振状況を検出する高温環境部内モジュール（近接スイッチＨ部）と制御・演算プログラムをインストールされたＣＰＵ部を含む通常温環境部内モジュール（近接スイッチＮ部）を高機能かつ高速シリアル通信で接続した高温近接センサに関するものである。高温近接センサは高温近接スイッチを含む。
【背景技術】
【０００２】
産業の進展により、例えば、高温乾燥炉や熱水洗浄などの高温環境下での長寿命、高精度、高機能で且つ安価な近接センサに対する要望がますます強くなっている。しかしながら、従来の高温近接センサでは、上記要望に沿う性能、機能および価格を具備したものは実現できていない。なお、既存の高温近接センサには、耐熱筐体・蓋体、耐熱樹脂充填・シーリング、耐熱電子部品配置、耐熱ケーブル等により耐高温化を図ったものがある。例えば、特許文献１および特許文献２参照。
【特許文献１】ＷＯ／１９９９／０１２２６０
【特許文献２】特許２８９０３６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明により解決すべき課題は、高温環境下での長寿命化、高精度化、高機能化への要求に沿う近接センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、
請求項１に係る本発明による高温近接センサは、当該高温近接センサを、２００℃以上の高温環境内に設置される高温環境内近接センサ部と通常温度環境内に設置される通常温環境内近接センサ部とに分離し、上記両近接センサ部間を、耐熱ケーブルを用いて、１０Ｍｂｐｓ以上の高速通信機能、周辺機器同士で直接接続できるＯＴＧ（Ｏｎ−Ｔｈｅ−Ｇｏ）機能、電源供給機能および活線挿し抜き機能（Ｐｌｕｇ  ＆  Ｐｌａｙ）を有したシリアル通信で接続する。
【０００５】
請求項１の本発明によれば、上記シリアル通信で接続された通常温環境内近接センサ部の機能が高温環境内近接センサ部の機能を強力に補完し、使用電子部品を必要最低限に減少でき、従来形状の場合にくらべてＫ値（熱貫流率）の高い断熱が可能となる結果、高温環境内電子部品の平均温度が下がって長寿命化を達成でき且つコストも低減される、ＣＰＵを含む通常温環境内近接センサ部での高機能化および検出データの高精度化を図ることができる。
【０００６】
なお、請求項２に記載したように、本発明では、上記高温環境内近接センサ部は、センサヘッド部と、温度補償回路部と、少なくとも発振・励磁・検出・シリアル通信制御を行う電子回路部とで構成され、上記通常温環境内近接センサ部は、少なくとも、シリアル通信制御部と、発振・励磁・検出・精度向上・故障診断・動作表示等の実行ソフトウエアがインストールされたＣＰＵ部と、動作表示部と、電源回路部とで構成されていることが好ましい。
【０００７】
なお、請求項２で記載したように、本発明では、上記シリアル通信で通常温環境内近接センサ部内のＣＰＵソフトウエアによる制御・演算をＣＰＵを持たない高温環境内近接センサ部に高速反映させ、高精度・高信頼検出および故障診断等の高機能化を実現する分離構成およびシリアル通信接続構成とすることが好ましい。
【０００８】
なお、請求項３に記載したように、本発明では、上記高温環境内近接センサ部のセンサヘッド部に磁性メッキ線コイルを用いることが好ましい。請求項３は誘導型近接センサの場合、高温環境下の検出値の温度変動を銅線にくらべて効果的に補償できる磁性メッキ線コイルを上記Ｈ部センサヘッドの励磁・検出コイルに用いた態様である。磁性メッキ線は銅線コイルに比べて高インダクタンス、高Ｑ（クオリテイファクタ）値による温度係数の大きい近接効果損をもちいた温度補償が可能で、検出感度および検出精度を向上させる。請求項３の磁性メッキ線コイルおよびＯＴＧ機能をもつ高速シリアル通信を用いることで、磁気、静電容量、光、超音波の各近接センサのマルチセンサヘッド近接センサおよびマルチ近接センサシステムを構成できる。
【０００９】
なお、請求項４に記載したように、本発明では、上記シリアル通信にＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）またはＩＥＥＥ１３９４を用いることが好ましい。上記シリアル通信にパソコン、カメラ、携帯電話、印刷機、マウスなど多くの電子機器に広く普及しているデファクトスタンダードのＵＳＢまたは高速・高容量伝送のＩＥＥＥ（米国電気電子学会＝Ｔｈｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｒｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｓ）１３９４規格のファイアワイヤまたはｉ・ｌｉｎｋをもちいることが好ましい。また、耐熱ケーブルでの有線接続のＵＳＢ通信の代わりに４８０ＭＨｚのＵＳＢ無線をもちいる構成が可能である。
【００１０】
なお、請求項５に記載したように、本発明では、上記ＵＳＢ通信は、高温環境内近接センサ部を１２７台まで、１台の通常温環境内近接センサ部に接続でき、さらにこの複数台同士が情報交換可能なマルチセンサヘッド構成にすることが好ましい。請求項５の発明は、上記シリアル通信のデイジーチエーン接続やツリー接続、およびＯＴＧ機能により１つから１２７個の高温環境内近接センサ部と一つの通常温環境内近接センサ部とで構成されるマルチセンサヘッド近接センサ（装置）または上記２００℃以下の高温環境内近接センサ部と通常温環境内近接センサ部の一体型近接センサ１から１２７個と上位コントローラまたはサーバを接続したマルチ近接センサ（システム）を構成できる。
【００１１】
なお、請求項６に記載したように、本発明では、上記高温環境内近接センサ部内の発振回路の状態および検出信号の状態およびこれらのトレンド状態および電源状態等の故障診断機能および動作表示機能を有することが好ましい。請求項６の発明は、高温環境内近接センサ部と通常温環境内近接センサ部とが扉や窓で仕切られていること、ＬＥＤの長時間断熱などから、近接センサＨ部の動作や設置不具合情報をＬＥＤ等で表示させ直接眼で確認することは困難であっても、高速・高機能シリアル通信によって、高温環境内近接センサ部の動作や設置不具合情報がリアルタイムに必要充分な動作表示を通常温環境内近接センサ部で容易に実現できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、高温環境内近接センサ部にはセンサヘッドと必要最低限の高価な耐熱電子部品を使用し、かつ通常温環境内に設置する一般の近接センサに匹敵する機能・精度でより低価格な高温近接センサを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る近接センサを詳細に説明する。
【００１４】
図１は実施の形態の高温近接センサを示す。この高温近接センサは、当該高温近接センサを、２００℃以上の高温環境内に設置される高温環境内近接センサ部１０と、通常温度環境内に設置される通常温環境内近接センサ部３０とに分離すると共に、両近接センサ部１０，３０間を、耐熱ケーブル２０を用いて接続して構成している。
【００１５】
そして、上記構成で、実施の形態の高温近接センサでは、両近接センサ部１０，３０を接続する耐熱ケーブル２０を用いて、１０Ｍｂｐｓ以上の高速通信機能、周辺機器同士で直接接続できるＯＴＧ（Ｏｎ−Ｔｈｅ−Ｇｏ）機能、電源供給機能および活線挿し抜き機能（Ｐｌｕｇ  ＆  Ｐｌａｙ）を有したシリアル通信で接続したものである。
【００１６】
その結果、実施の形態の高温近接センサでは、通常温環境内近接センサ部３０の機能により高温環境内近接センサ部１０の機能を強力に補完することが可能となり、使用電子部品を必要最低限に減少でき、従来形状の高温近接センサとくらべてＫ値（熱貫流率）の高い断熱が可能となり、高温環境内電子部品の平均温度が下がって長寿命化を達成でき、ＣＰＵ部を含む通常温環境内近接センサ部３０の高機能化および検出データの高精度化を図ることができるものとなっている。
【００１７】
以下、さらに詳細に各部を説明する。
【００１８】
まず、高温環境内近接センサ部１０においては、耐熱樹脂で充填された励磁・検出コイル１２と、この励磁・検出コイル１２に接続された抵抗やダイオード等の受動素子による温度補償回路部１４とで、センサヘッド１５を構成している。
【００１９】
このセンサヘッド１５は、発振・検出回路部１６からの高周波電流で励磁されると共に、この励磁により検出物に発生した渦電流による励磁・検出コイル１２のインピーダンス変化や共振状況を検出する。
【００２０】
このセンサヘッド１５の検出出力は、シリアル信号変換回路部１８でシリアルデータに変換されてシリアル通信制御回路部１９から耐熱通信ケーブル２０で通常温環境内近接センサ部３０に接続される。シリアル通信制御回路部１９は高温環境内近接センサ部１０内の各回路部に対して５Ｖの電源供給機能を有する。
【００２１】
高温環境内近接センサ部１０内の発振・検出回路部１６は、通常温環境内近接センサ部３０内のＣＰＵ／ソフトウエア部が有する制御・演算機能と高速シリアル通信経由で連繋動作する。
【００２２】
なお、高温環境内近接センサ部１０は、２００℃以上の高温環境内に設置されるので、その寿命やコスト面からは高温環境内近接センサ部１０内部には、必要最低限の電子回路を内蔵させることが望ましい。
【００２３】
次に、通常温環境内近接センサ部３０は、上記した高温環境内近接センサ部１０の機能を補完し、サポートするものであり、そのため、当該通常温環境内近接センサ部３０は、シリアル通信制御回路部３０ａ、ＣＰＵバス３０ｂ、ＣＰＵ／ソフトウエア部３０ｃ、検出・故障診断データ出力回路部３０ｄ、動作表示回路部３０ｅ、動作表示ＬＥＤ３０ｆ、電源回路部３０ｇを備えている。ＣＰＵ／ソフトウエア部３０ｃは、発振・検出制御ソフトウエア、検出精度向上ソフトウエア、故障解析診断ソフトウエア、動作表示ソフトウエア、ＵＳＢドライバ、等を有する。そして、ＣＰＵ／ソフトウエア部３０ｃでは、例えば高検出精度かつ故障診断を後述するＦＵＭＩ理論アルゴリズムをプログラムして実行する。
【００２４】
高温環境と通常温環境は、通常、扉や限られた窓で仕切られているので、その高温環境内に設置される高温環境内近接センサ部１０においては、その設置状況や動作状況を通常温環境内に設置される通常温環境内近接センサ部３０側から視認できるように動作表示ＬＥＤ３０ｆを設けている。
【００２５】
また高温環境内近接センサ部１０側では内蔵する電子回路部分を少なくするために、通常温環境内近接センサ部３０の電源回路部３０ｇを５Ｖ電源供給が可能なシリアル通信をもちいて高温環境内近接センサ部１０に供給できるようになっている。
【００２６】
なお２００℃以下の高温環境下では耐熱電子部品、耐熱樹脂等が安価で長寿命動作も可能なので、高温環境内近接センサ部１０と通常温環境内近接センサ部３０とを一体化することが可能である。一体化された高温環境内の高温近接センサから通常温環境内のコントローラやサーバに本発明のＯＴＧ機能、高速、電源供給機能を有したシリアル通信で接続した構成（図示なし）になる。
【００２７】
なお、高温環境内近接センサ部１０は、２００℃以上の高温環境内に設置されるので、その寿命やコスト面からは高温環境内近接センサ部１０内部に必要最低限の電子回路を内蔵させることが望ましい。
【００２８】
以上の構成において、実施の形態の高温近接センサにおいては、当該高温近接センサを２００℃以上の高温環境内に設置される高温環境内近接センサ部１０と、通常温度環境内に設置される通常温環境内近接センサ部３０とに分離し、上記両近接センサ部１０，３０間を、耐熱ケーブル２０を用いて、両近接センサ部１０，３０に搭載したシリアル通信制御回路部により、１０Ｍｂｐｓ以上の高速通信機能、周辺機器同士で直接接続できるＯＴＧ（Ｏｎ−Ｔｈｅ−Ｇｏ）機能、電源供給機能および活線挿し抜き機能（Ｐｌｕｇ  ＆  Ｐｌａｙ）を有したシリアル通信で接続したものである。
【００２９】
ここで、ＯＴＧは別置ＣＰＵにインストールされたＵＳＢドライバソフトウエアを介することなくＵＳＢ機器を相互に接続するための通信制御仕様内規格であり、実施の形態では、このＯＴＧ機能により、高温環境内近接センサ部１０とＣＰＵ／ソフトウエア部を内蔵しない通常温環境内近接センサ部３０と通信接続することができる。また活線挿し抜き機能により、高温環境内近接センサ部と通常温環境内近接センサ部が動作中に外れたり、また、複数の高温環境内近接センサ部を有するマルチセンサヘッド近接スイッチ部を動作中に増減したりすることが可能である。
【００３０】
図２は高温環境内近接センサ部１０の角柱型筐体実装構造例を示している。図２（ａ）に検出物体４０を側面で、高温環境内近接センサ部１０を平面でその構成を示し、図２（ｂ）に通常温環境部内近接センサ部３０をブロック回路で、高温環境内近接センサ部１０を断面で、その構成を示す。コアまたは空心１０ａに巻かれたソレノイドや平面コイル１０ｂはポリアミドやボロシキサンなどの耐熱樹脂１０ｃで充填される。これら部材１０ａ−１０ｃは、図１の励磁・検出コイル１２を構成するものであり、また、その耐熱樹脂または内側を断熱樹脂コーティングされた金属角柱筐体１０ｄに対する蓋体１０ｅを構成する。
【００３１】
この蓋体１０ｅの内側に耐熱電子部品１０ｆが実装された耐熱基板１０ｇが装着され、４つのコイルバネ１０ｈでアルミニウムまたはステンレスの取り付け金具１０ｉに固定されている。
【００３２】
耐熱基板１０ｇから、直接、筐体１０ｄ内をシリアル通信線１０ｊ（筐体１０ｄ内では図示略）が引き出される。このシリアル通信線１０ｊは、当該筐体１０ｄの耐熱シーリング１０ｋで密封された開口から筐体１０ｄ外へ耐熱ケーブル１０ｍで高温環境経由で通常温環境内近接センサ部３０に接続される構造である。
【００３３】
図３に上記ＦＵＭＩ理論アルゴリズムフローチャート例を示している。このフローチャートにおいては、渦電流によるコイルのインピーダンス変位の検出信号の検出値Ｓの標準偏差をＳＤ／Ｓとする（ステップｓ１）。次に、発振、渦電流発熱によるホワイトノイズをスムージングソフトウエアで処理する（ステップｓ２）。次に、検出物の移動によるノイズは励磁周波数にくらべて緩やかなノイズ（マルコフ過程ノイズ）であり、マルコフ過程ノイズの標準偏差ＳＤ／Ｔをその計算ソフトウエアで計算する（ステップｓ３）。最後にＦＵＭＩ理論式で関数をＳＤ／ＴをＳＤ／Ｓとして検出値Ｓを補正することにより検出精度を向上するソフトウエアを実装する（ステップｓ４）。すなわち、高周波励磁周期よりはるかに緩やかな検出物の速度変動、振動変動、温度変動などのマルコス過程ノイズ（変動）の標準偏差ＳＤ／Ｔを検出信号の標準偏差ＳＤ／Ｓとして検出値Ｓの補正をＦＵＭＩ理論をもちいたソフトウエアで実施する。
【００３４】
以上から検出物体４０の存在や移動等を要因とする検出コイル１０ｂとの位置、距離、速度、振動の変動（ノイズ）が、高周波励磁による渦電流要因検出信号変動（ノイズ）に比してマルコフ過程的であるために、スムージング等の従来の演算では取り除けない。
【００３５】
ＦＵＭＩ理論は検出物体４０の存在や移動等を要因とした変動の標準偏差を、渦電流を要因とした信号変動の標準偏差に置換して、その検出精度向上を図るアルゴリズムであるので、本発明の高温近接センサに適している。
【００３６】
図４（ａ）（ｂ）は磁性メッキ線コイル５０の構成例を示している。
【００３７】
図４（ａ）で示す磁性メッキ線コイル５０は、コイル材である銅線５０ａの表面に強磁性体層５０ｂを形成して構成されている。強磁性体層５０ｂは膜厚１μｍ前後のＦｅ薄膜等のメッキ層である。
【００３８】
図４（ｂ）で示す磁性メッキ線コイル５０は、図４（ａ）と同様に銅線５０ａの表面に強磁性体層５０ｂを形成すると共にその強磁性体層５０ｂの表面に錆止めおよびハンダ付けを容易にする必要最低限膜厚のＮｉ（ニッケル）等の薄膜付加層５０ｃを形成したうえで、さらに、その薄膜付加層５０ｃの表面にポリアミドやポリウレタン樹脂を用いた絶縁層５０ｄを形成して構成される。
【００３９】
図４（ａ）（ｂ）の磁性メッキ線コイル５０では強磁性体層５０ｂにより磁気エネルギを蓄えてインダクタンスの増加、近接効果の低減、磁気シールド効果を長距離動作に積極的に生かせることができる。
【００４０】
図５は本発明に用いる好ましいシリアル通信の形態例として、パソコンからマウスまで広く採用されているＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）規格と高速大容量転送に用いられている米国電気電子学会（Ｔｈｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｒｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｓ）規格ＩＥＥＥ１３９４の２種類のシリアル通信の概要規格を示している。
【００４１】
両シリアル通信とも、高温環境内近接センサ部１０の検出精度向上、大容量動作情報の伝送を、通常温環境内近接センサ部３０内のＣＰＵ／ソフトウエア部３０ｃと連繋してサポートすることが可能な機能、１０ＭＨｚから１．６ＧＨｚの高速転送、繰返しや同期制御に必須のアイソクロナス（ｉｓｏｃｈｒｏｎｏｕｓ）転送、電源供給機能を有している。
【００４２】
図６は本実施の形態の高機能シリアル通信をもちいて、マルチセンサヘッド近接センサおよびマルチ近接センサシステムの構成例を示している。図６（ａ）は複数の近接センサが必要な機械、装置、セルにおいて、高温環境内近接センサ部１０を６３台から１２７台までを１つの通常温環境内近接センサ部３０にハブ６０経由で接続した構成で、コストや設備工数低減のみでなく、接続されたセンサ間の相関演算やセンサ間のコミュニケーション機能により機械・装置・セルのリアルタイムで決めの細かい制御・診断が可能になる。
【００４３】
図６（ｂ）は上記２００度以下の高温近接センサに用いた高温環境内近接センサ部１０と通常温環境内近接センサ部３０一体型の近接センサ７０としている。この近接センサ７０は、シリアル通信機能を備え、上位のコントローラ／サーバ８０にハブ６０経由で容易にシステム化可能としたマルチ近接センサシステムの構成例である。
【００４４】
以上、図６（ａ）（ｂ）２つの形態は高温環境の近接センサだけでなく、誘導、磁気、通常温環境の静電容量、光電、超音波などの近接センサに適用できる。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態の高温近接センサは、２００℃以上の高温環境内に設置される高温環境内近接センサ部と通常温度環境内に設置される通常温環境内近接センサ部とに分離し、上記両近接センサ部間を、耐熱ケーブルを用いて、１０Ｍｂｐｓ以上の高速通信機能、周辺機器同士で直接接続できるＯＴＧ（Ｏｎ−Ｔｈｅ−Ｇｏ）機能、電源供給機能および活線挿し抜き機能（Ｐｌｕｇ  ＆  Ｐｌａｙ）を有したシリアル通信で接続した構成を有するので、高温環境下での長寿命化、高精度化、高機能化への要求に沿う近接センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係る高温近接センサの構成図である。
【図２】図２は高温環境内近接センサ部の構成図である。
【図３】図３はＦＵＭＩ理論による検出精度向上フローチャートである。
【図４】図４は磁性メッキ線構成図である。
【図５】図５は本発明シリアル通信仕様。ＵＳＢとＩＥＥＥ１３９４を示す図である。
【図６】図６はマルチセンサヘッド近接センサ（装置）とマルチ近接センサシステム構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  高温環境内近接センサ部
２０  耐熱ケーブル
３０  通常温環境内近接センサ部
【図１】
2009071486.tif 000003
【図２】
2009071486.tif 000004
【図３】
2009071486.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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