(57)【要約】【課題】従来形状で長距離動作可能な誘導型近接センサとさらに長距離化が可能で且つ高検出精度の近接センサを提供する。【解決手段】センサヘッド部３に磁性メッキ線コイル５を採用し、少なくとも検出データのスムージングおよび推論ロジックソフトウエアをインストールされた演算・処理部１１が構成要素で形成された近接センサ。【選択図】図１
2009054517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサヘッドの励磁兼検出コイルまたは励磁コイルに磁性メッキ線コイルが用いられていることを特徴とする近接センサ。
【請求項２】
センサヘッドの励磁兼検出コイルまたは専用励磁コイルが、磁性メッキされた単線またはリッツ線で空心またはコア上の多層巻きソレノイドコイルで構成されていることを特徴とする近接センサ。
【請求項３】
センサヘッドの励磁コイルおよび検出コイルが、磁性メッキされた単線またはリッツ線で空心またはコア上のそれぞれ独立した専用の多層巻きソレノイドコイルから構成されていることを特徴とする近接センサ。
【請求項４】
センサヘッドの励磁兼検出コイルまたは専用励磁コイルの磁性メッキによる
効果やコイル径対ピッチ間隔などの巻き線形状によってコイルの高周波温度係数を低減して検出精度を高めたことを特徴とする近接センサ。
【請求項５】
センサヘッドの磁性メッキ線をもちいた励磁兼検出コイルと同値のインダクタンスを有する磁性メッキ線または銅線を基準コイルとして検出物から受ける磁気的影響が低い配置箇所に追加配置したことで、上記両コイルを同じ励磁条件で励磁して上記両コイルの誘起電流、インピーダンスを差分検出することを可能としたセンサヘッド構成になっている、ことを特徴とする近接センサ。
【請求項６】
磁性メッキ線コイルをもちいた励磁部とＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｓｅｎｓｏｒ）からなる検出部とを備えたセンサヘッド構成になっている、ことを特徴とする近接センサ。
【請求項７】
磁性メッキ線コイルまたはＧＭＲによる検出出力をＦＵＭＩ（Ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｕｔｕａｌ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）理論およびスムージング制御によって推論するソフトウエアを具備した、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の近接センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作距離が長い長距離動作近接センサに関わり、より詳しくは、その励磁兼検出センサヘッドの改良に関するものである。このセンサヘッドは、導体検出物を非接触で高周波励磁し、かつ、導体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ことで、当該導体検出物の位置、距離、速度、振動および材質を検出するものである。なお、本明細書での近接センサは近接スイッチと称することもできる。
【背景技術】
【０００２】
動作距離を長距離化し、近接センサ設置の自由度向上、検出動作時接触・破損防止などを目的とした誘導型・長距離動作近接センサの要求が高まっている。近接センサの動作距離または安定検出距離はＪＩＳで規格化されている、なお、長距離についてはＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｃ  ８２０１−５−２（ＩＥＣ  ６０４９７）で規定されている。コイルのハウジングや検出回路等で長距離化する技術は特許文献１、特許文献２に開示されている。
【特許文献１】ＵＳ  ４５０９０２３
【特許文献２】特開２００６−１５６３６０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
誘導型近接センサの検出距離を長距離化する技術として、励磁および検出コイルのＱ（クオリティファクタ）を高める、インダクタンスを大きくする、近接効果の低減、磁束の作用距離の拡大などがある。コイル形状、コイルハウジング、磁束誘導膜使用による磁束強化および検出部の信号対ノイズ比向上、検出コイルの温度補償等により長距離化してきたが、検出距離対コイル直径比を、信頼性および安定性を維持しかつ形状を大きくせずに０．５以上にすることは困難である。
【０００４】
本発明により解決すべき課題は検出距離対コイル直径比を、信頼性および安定性を維持しつつ、０．５〜１．０の長距離化を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）請求項１に係る本発明による近接センサは、センサヘッドの励磁兼検出コイルまたは専用励磁コイルに磁性メッキ線コイルが用いられていることを特徴とするものである。
【０００６】
長距離動作近接センサ用の励磁兼検出コイルまたは専用励磁コイルに磁性メッキ線コイルを用いたことにより、検出距離対コイル直径比を、信頼性および安定性を維持し、かつ、形状を大きくせずに０．５以上の長距離化が可能になる。
【０００７】
（２）請求項２に係る本発明による近接センサは、センサヘッドの励磁兼検出コイルまたは励磁コイルが、磁性メッキされた単線またはリッツ線で空心またはコア上の多層巻きソレノイドコイルで構成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
なお、検出信号対ノイズ比を向上させる場合は基準コイル部、コイルが空心の場合はアンプ部にセンサヘッドからの磁束漏洩を防止する磁気シールド部、必要に応じて動作光通信部、を備えることが好ましい。
【０００９】
（３）請求項３に係る本発明による近接センサは、センサヘッドの励磁コイルおよび検出コイルが、磁性メッキされた単線またはリッツ線で空心またはコア上のそれぞれ独立した専用の多層巻きソレノイドコイルから構成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
この磁性メッキ線は好ましくは単線またはリッツ線で、多層巻きソレノイドコイルは高周波特性のよいコアまたは空心に巻かれた単一の専用コイル構成とし、それぞれ励磁専用と検出専用コイルを形成することである。
【００１１】
（４）請求項４に係る本発明による近接センサは、センサヘッドの励磁兼検出コイルまたは専用励磁コイルの磁性メッキによるＱ向上効果やコイル径対ピッチ間隔などの巻き線形状によってコイルの高周波温度係数を低減して検出精度を高めたことを特徴とするものである。すなわち、本発明では、励磁と検出を別個の磁性メッキ線コイルで形成し、検出精度および感度を向上させることである。
【００１２】
この場合の好ましい形態としては検出コイルを３つ正三角形状に配置し、渦電流の平面分布を検出する２次元近接センサを形成する構成である。
【００１３】
この場合の好ましい形態としては、高周波励磁コイルの温度係数がコイル直流抵抗および表皮効果損および近接効果損の関数であり、磁性メッキ線コイルは表皮効果損および近接効果損を磁性メッキなしの銅線に比較して大きく変化できることを用いて、上記磁性メッキ線コイルのメッキ線径およびコイルの全長、形状、ピッチ等によって温度係数を低減することである。
【００１４】
（５）請求項５に係る本発明による近接センサは、センサヘッドの磁性メッキ線をもちいた励磁兼検出コイルと同値のインダクタンスを有する磁性メッキ線または銅線を基準コイルとして検出物から受ける磁気的影響が低い配置箇所に追加配置したことで、上記両コイルを同じ励磁条件で励磁して上記両コイルの誘起電流、インピーダンスを差分検出することを可能としたセンサヘッド構成になっていることを特徴とするものである。
【００１５】
この態様では、導体検出物に発生した渦電流による磁界および発熱の検出コイルに与える影響が少なく、かつその他の高温環境等は同じ環境に上記磁性メッキ線コイルと同値のインダクタンスおよび直流抵抗をもった基準コイルを設置して同じ励磁電流を流し、誘起電流およびインピーダンスを検出し、近接センサの検出コイルのそれらと差分演算させて検出精度を向上させることができる。
【００１６】
（６）請求項６に係る本発明による近接センサは、磁性メッキ線コイルをもちいた励磁部とＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｓｅｎｓｏｒ）からなる検出部とを備えたセンサヘッド構成になっていることを特徴とするものである。
【００１７】
この態様では、高周波励磁された検出物の渦電流による磁束を１つまたは複数の巨大磁気抵抗センサを用いて検出コイルによるインピーダンス変化検出に比べて高精度に磁束を検出することができる。この場合、高周波励磁電流を連続した矩形波や正弦波でなく、無電流期間のあるパルス電流にして、この無電流期間中の磁束変化を巨大磁気抵抗センサで検出しさらに検出精度を向上させる構成も含まれる。
【００１８】
（７）請求項７に係る本発明による近接センサは、磁性メッキ線コイルの検出出力をスムージング制御およびＦＵＭＩ（Ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｕｔｕａｌ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）理論に基づいて推定する回路を具備している。この請求項７の態様では、検出物の速度変動や発熱変動および励磁コイルや検出環境の変動の影響による検出ノイズを、推論や統計論をもちいて減少する数学的手段である。励磁高周波またはそれ以上の早い周期のホワイトノイズは移動平均や平滑などのスムージングソフトウエア、検出物の速度、振動、発熱などのマルコフ過程的な緩やかな変動によるノイズは変動ノイズの標準偏差を検出信号の標準偏差とすることによって低減することができる。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に係る本発明では、検出距離対コイル直径比を、信頼性および安定性を維持しつつ、０．５〜１．０の長距離化を可能にすることができる。
【００２０】
請求項２，３に係る本発明では、Ｆｅ（鉄）薄膜メッキによるコイルのインダクタンスの増加、近接効果の低減および磁束の遠距離作用効果によって銅線コイルによる請求項１構成の近接センサより長距離動作が可能になる。この長距離動作は高周波特性のよいコアや空心コイルをもちいることによりさらに長距離化できる。
【００２１】
請求項４に係る本発明ではコイルの巻き線形状および線材の単線やリッツ線により近接効果を調整し、励磁・検出コイル全体の温度係数を低減し、長距離化と検出精度向上が可能になる。
【００２２】
請求項５に係る本発明では励磁・検出コイルの外に検出物の渦電流の効果の無い場所に同一インダクタンス・直流抵抗の基準コイルをおき、検出精度を向上させ長距離可を可能にすることができる。
【００２３】
請求項６に係る本発明ではスピントロニクス磁気センサ素子の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）等を用いた高感度の検出センサを用いて検出感度を上げ検出精度を向上させ長距離可を可能にすることができる。
【００２４】
請求項７に係る本発明では検出出力のスムージングおよびＦＵＭＩ理論とうの推論ロジックを近接センサ構成のＣＰＵのソフトウエアで実現し、検出精度を向上させ長距離可を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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説明する。
【００２６】
図１は本発明の実施の形態にかかり、磁性メッキ線コイルをもちいた近接センサのブロック構成例を示す。図１を参照して、１は上下または左右方向に接近・後退動作する導電性の検出物である。
【００２７】
３はセンサヘッド部であり、このセンサヘッド部３は、検出物１に非接触に設置されたコアまたは空心に巻かれた磁性メッキ線コイル５、抵抗、ダイオード等の図示略の温度補正回路部で構成される。
【００２８】
９は検出動作回路部であり、この検出動作回路部９は、磁性メッキ線コイル５に励磁高周波電流を発振または供給する発振回路部、同時に該磁性メッキ線コイル５のインピーダンス変動等を検出する検出回路部、その他として補正するための回路部、等を含む。
【００２９】
１１は演算・処理部であり、この演算・処理部１１は、ＣＰＵを含む回路で構成され、発振制御、高精度検出アルゴリズム、動作表示等のソフトウエア制御を担うようになっている。
【００３０】
１３は当該近接センサの動作状態を表示処理する回路からなる動作表示部、１５は近接センサの動作状態に関して光通信するための変調回路からなる動作光通信部、１７は当該近接センサの検出出力を出力する検出出力部、１９は外部パソコンやＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）２１に接続されてシリアル通信するＵＳＢコネクタからなるシリアル通信部、２３は動作表示部１３に駆動されて動作状態を示す態様で発光する動作表示用発光ダイオード、２５は動作光通信部１５で駆動されて発光する動作光通信用発光ダイオードである。
【００３１】
検出出力部１７と動作光通信部１５それぞれから検出データが出力される。検出出力部１７と動作光通信部１５それぞれを双方向通信として検出データの信頼性および安全制御のためのフィードバック制御をさせることも可能である。
【００３２】
２７は空心コイルの場合に検出物と逆方向の磁束を低減する磁気薄膜等による磁気シールドであり、この磁気シールド１７は磁気メッキ線コイル５が空心の場合に発生する磁束が近接センサ内部の電子回路に影響を与えないようにする。
【００３３】
２８はアンプ分離型の場合にセンサヘッド部３とそれより後段側のアンプ部とを接続するための同軸ケーブルである。
【００３４】
２９は基準コイルであり、この基準コイル２９は〔〕で示すように検出物１に発生する渦電流および検出物１の振動等の影響を低減させるために、磁性メッキ線コイル５と同値のインダクタンスおよび直流抵抗を有する。この基準コイル２９は、検出物１の磁気的影響の少ない場所に追加設置され、当該近接センサの検出精度を高めて長距離動作を可能にする。
【００３５】
基準コイル２９は磁性メッキ線または銅線で構成することができる。基準コイル２９は、磁性メッキ線コイル５と同じ励磁条件で励磁されることで、両コイル５，２９の誘起電流、インピーダンスを差分検出し、この差分検出を用いて検出精度を高めて長距離動作を可能とすることができる。
【００３６】
図２（ａ）（ｂ）は磁性メッキ線コイル５の構成例を示している。
【００３７】
図２（ａ）で示す磁性メッキ線コイル５は、コイル材である銅線５ａの表面に強磁性体層５ｂを形成して構成されている。強磁性体層５ｂは膜厚１μｍ前後のＦｅ薄膜等のメッキ層である。
【００３８】
図２（ｂ）で示す磁性メッキ線コイル５は、図２（ａ）と同様に銅線５ａの表面に強磁性体層５ｂを形成すると共にその強磁性体層５ｂ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５ｃを形成したうえで、さらに、その薄膜付加層５ｃ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５ｄを形成して構成される。
【００３９】
図２（ａ）（ｂ）の磁性メッキ線コイル５では強磁性体層５ｂ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３（ａ）（ｂ）にセンサヘッド部３の構成例を示す。
【００４１】
図３（ａ）は、励磁と検出とを兼用する単一コイルからなるセンサヘッド部３を示す。図３（ａ）では（ａ−１）にセンサヘッド部３の正面構成、（ａ−２）に側面断面構成を示す。図３（ａ）では検出物１も示す。
【００４２】
図３（ｂ）は中央に位置する１つの励磁コイル３ａと、その周囲の充填樹脂３ｃ中に配置された３つの検出コイル３ｂとからなるセンサヘッド部３を示す。検出コイル３aも樹脂充填されている。図３（ｂ）では（ｂ−１）にセンサヘッド部３の正面構成、（ｂ−２）に側面断面構成を示す。図３（ｂ）のセンサヘッド部３では、励磁コイル３ａおよび３つの検出コイル３ｂはいずれも磁性メッキ線コイルであり、励磁コイル３ａに対して検出コイル３ｂは正三角形状に配置されていることで、高感度、高信頼性の２次元検出を可能する形態である。この場合、検出コイル３ｂは磁性メッキ線を用いない形態もある。
【００４３】
図４（ａ）に励磁・検出兼用の磁性メッキ線コイル５の高周波における等価回路を示し、また、図４（ｂ）に多層ソレノイドコイルの巻き線形状を示す。図４（ａ）でＲ（Ｘ）は銅損＋近接効果損、Ｌ（Ｘ）はインダクタンスである。図４（ｂ）でｐはコイルピッチ、ｄはコイル材の直径、ｒはコイル径、Ｌはコイル長さである。
【００４４】
磁性メッキ線コイル５の温度係数は図４（ａ）のＲ（Ｘ）である銅損と近接効果損に大きく影響される。銅損すなわち直流抵抗はコイルを形成している銅線の抵抗で磁性メッキ線コイル５の幾何学的形状には無関係である。近接効果損はコイルピッチを大きくしたり、コイルピッチに対して銅線径を細くすれば小さくできる。すなわち巻き線形状によるので、励磁周波数、磁性メッキ線コイル５の太さ、コイルの巻き線形状によってコイル全体の高周波温度係数を低減し検出精度を高めることができる。
【００４５】
図４（ｂ）で示す多層巻きソレノイドコイルは、センサヘッド部３の励磁兼検出コイルまたは励磁コイルを構成し、磁性メッキされた単線またはリッツ線で空心またはコア上のそれぞれ独立した専用の多層巻きソレノイドコイルの構成になっている。そして多層巻きソレノイドコイルの磁性メッキ線によるＱ値向上効果や、コイル径ｒ、ピッチ間隔ｐ等の巻き線形状によって高周波温度係数を低減して検出精度を高めることができる。
【００４６】
図５は高感度の巨大磁気抵抗素子などのスピントロニクス磁気センサ素子３１を検出部として一つまたは複数個内蔵したセンサヘッド部３の構成を示す。このセンサヘッド部３では、磁性メッキ線コイル５を検出物１の励磁に特化させ、検出感度を高め長距離動作を可能にする。このスピントロニクス磁気センサ素子３１は矢印ａ１で示すように高機能検出部３３を構成することができる。
【００４７】
発振回路部３５をパルス波形などの間歇発振にして、矢印ａ２で示すようにセンサヘッド部３を励磁電流の無い状態での磁束検出を可能にしてさらに高感度、高信頼性の検出を可能にし、この発振回路部３５からの同期信号を矢印ａ３で示すように高機能検出部３３での検出に用いた構成である。発振回路部３５を矢印ａ４で示すようにＣＰＵバスａ７に接続し、バスａ６を通じて演算・処理部１１であるＣＰＵに接続する一方、矢印ａ５で示すように高機能検出部３３をＣＰＵバスａ７に接続し、バスａ６を通じて演算・処理部１１に接続する。
【００４８】
図６（ａ）（ｂ）に本発明を実施するための図１の演算・処理部１１の長距離動作検出ソフトウエア（ファームウエア）の補正イメージ、図７に検出精度向上フローチャートを示している。
【００４９】
図６（ａ）は横軸が距離、縦軸が検出値であり、検出物１の材質がそれぞれ鉄、アルミニウム、ステンレスである場合、それぞれの材質による検出物１上での渦電流発生や温度上昇による検出値の差異のイメージである。材質が鉄の場合は一点鎖線ｂ１、アルミニウムでは点線ｂ２、ステンレスは実線ｂ３でそれぞれ示すような検出特性を示すが、抵抗、ダイオード等の図示略の温度補正回路部により二重線ｂ４で示す検出特性に補正する。図６（ａ）には二重線で補正後の検出特性を示す。
【００５０】
図６（ｂ）は検出物とセンサヘッド間の接近と後退（上下左右）による応差（ヒステリシス）を事前のパラメータや補正ソフトウエアによって低減するための補正を示す図である。図６（ｂ）で横軸は検出物とセンサヘッドとの接近距離、縦軸は検出磁束である。ｃ１は応差曲線、ｃ２，ｃ３は補正前応差、ｃ４，ｃ５は補正後応差である。ｃ２はｃ４に図中左→右、ｃ３はｃ５に図中右→左に補正される。検出物１の応差特性による接近と後退（上下左右）による磁束変化を補正ソフトウエアによってｃ４，ｃ５で示す補正後応差に低減させる。
【００５１】
図７はＦＵＭＩ（Ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｕｔｕａｌ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）理論をもちいたソフトウエアの概要フローチャートである。このフローチャートで示すように、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。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。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。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。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。なお、以上のソフトウエアは、演算・処理部１１に搭載する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は磁性メッキ線コイル近接センサ構成図である。
【図２】図２は磁性メッキ線構成図である。
【図３】図３は励磁コイルと検出コイルを独立したコイル形態を示す図である。
【図４】図４は励磁・検出コイル（インダクタンス）とＲ（損失）とを示す図である。
【図５】図５はスピントロニクス磁気センサ素子を検出部に用いた構成図である。
【図６】図６は検出特性と補正例とを示す図である。
【図７】図７は検出精度向上アルゴリズム（ＦＵＭＩ理論）の概要フローチャートである。
【符号の説明】
【００５３】
１  検出物
３  センサヘッド部
５  磁性メッキ線コイル
【図１】
2009054517.tif 000003
【図２】
2009054517.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009054517.tif 000007
【図６】
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【図７】
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