JP2012112751A - 対象物の構成金属および対象物までの距離を検知するセンサおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本願発明に係る材質測距センサは、LCR共振回路部と、これに高周波電流を供給するための駆動部と、LCR共振回路部の駆動電圧および駆動電流を検出する駆動電圧検出手段および駆動電流検出手段と、駆動電圧および駆動電流からn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出するn次成分抽出手段と、n次駆動電圧およびn次駆動電流から共振周波数および負荷抵抗を算出する制御部と、複数の既知の金属、および複数の既知の対象物までの距離について事前に検知した共振周波数と負荷抵抗との関係を示す検知マップを記憶する記憶部とを備え、制御部は、算出された共振周波数および負荷抵抗と、記憶されたものとを比較して、対象物の構成金属または対象物までの距離を検知するものである。
【選択図】図1
Description
より具体的には、この高周波発振型近接スイッチは、2つの共振タンク回路を有し、各共振タンク回路から出力される共振信号の振幅差が近接対象物の磁性特性によらず一定となるように回路を構成することにより、鉄およびアルミニウムに対する感度特性を同一にし、あるいは各共振タンク回路の共振周波数を選択的に設定することにより、鉄またはアルミニウムのみを検出するものである。
より詳細には、特許文献2に記載の近接センサは、位相比較回路を有し、発振器の出力電圧信号と負荷抵抗器の両端電圧信号の位相差に応じた電圧を検出し、位相差の変化により、被検知物体が良導電体または磁性体であるかを検知するものである。
また、磁性金属の中でも、鉄や磁性ステンレスなどさまざまな透磁率を有する磁性金属が存在し、同様に非磁性金属の中でも、非磁性ステンレス、アルミニウム、または銅などの異なる透磁率を有する非磁性金属があり、こうした広範な透磁率を有する任意の磁性または非磁性金属からなる対象物を検知するために、各共振タンク回路の共振周波数を選択的に設定することは極めて困難である。
さらに特許文献1に記載の高周波発振型近接スイッチは、特定の磁性特性を有する対象物が所定の位置に近接したことを検知するもの(材質センサ)であって、近接対象物までの距離を正確に検知することはできない(測距センサではない)。
図1〜図6を参照しながら、本願発明に係る材質測距センサの実施の形態1について以下詳細に説明する。
図1は、実施の形態1に係る材質測距センサ1の概略的な電気的構成を示す回路ブロック図である。材質測距センサ1は、概略、金属からなる対象物Tに近接して対向する検知コイル10と、検知コイル10に直列に接続された共振コンデンサ12(静電容量C)と、検知コイル10および共振コンデンサ12で構成されたLCR共振回路部14に高周波電流を供給する駆動部16と、駆動部16を制御する制御部18とを有する。図1において、検知コイル10はインダクタンスLと負荷抵抗Rの等価回路として図示されている。また図1において、検知コイル10および共振コンデンサ12は直列に接続されているが、共振回路を構成するものであれば並列に接続したものであってもよい。
また、駆動電流検出手段22は、LCR共振回路部14に流れる駆動電流(駆動部16の出力電流)Iを測定するものであれば任意の回路構成を有していてもよく、実施の形態1に係る駆動電流検出手段22は、たとえばシャント抵抗と増幅アンプ、またはカレントトランスと負荷抵抗(いずれも図示せず)を用いて構成してもよい。
択一的には、本願発明に係るメモリは、図4に示す検知マップにおいて、対象物Tがさまざまな構成金属について対象物までの距離dがたとえば0mm,1mm,2mm,3mm,・・・,となるポイントを結ぶ曲線C0,C1,C2,C3,・・・,に関する情報(これらの曲線を表す関数として)を記憶しておき、材質測距センサ1による実際の対象物Tの検知で算出された共振周波数と負荷抵抗(Fr,R)に基づいて、対象物Tまでの距離dを直ちに検知するようにしてもよい。
たとえば、対象物Tについて実際に算出された共振周波数と負荷抵抗(Fr,R)について検知マップ上でプロットしたポイント(図4の星印で示す)が、距離dが2mmとなるポイントを結ぶ曲線C2上にあることから、対象物Tまでの距離dが2mmであることを直ちに検知することができる。
すなわち変形例1に係るメモリ26は、実施の形態1のように、検知マップ上の細分化された膨大な数の共振周波数と負荷抵抗(Fr,R)のポイントに対する金属材質と距離(M,d)のデータ(行列{Frij,Rij}に対応する行列{Mij,dij})を記憶する必要がない。したがって変形例1に係る材質測距センサ1によれば、対象物Tに関する共振周波数と負荷抵抗(Fr,R)に対応する金属材質と距離(M,d)について事前に検知する労力を実質的に省略することが可能であり、より小さい容量を有するメモリ26を用いることが可能であるので、製造コストを大幅に削減することができる。
さらに択一的には、図5に示すように、この検知マップ上の仮想的な距離hと、検知コイル10から対象物Tまでの実際の距離dとの間に図6のグラフに示すような関係があると仮定することにより、検知コイル10から対象物Tまでの距離dを簡便に推知するようにしてもよい。
たとえば図5の検知マップにおいて、算出された共振周波数と負荷抵抗(Fr,R)と無限遠ポイント(Fr0,R0)との仮想的距離hを以下のように定義する。
図7を参照しながら、本願発明に係る材質測距センサの実施の形態2について以下に説明する。実施の形態2に係る材質測距センサ2は、その駆動電流検出手段22が共振コンデンサ12の両端のコンデンサ電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段28を有し、コンデンサ電圧VCからLCR共振回路部14に流れる駆動電流Iを検出する点を除いて、実施の形態1の材質測距センサ1と同様の構成を有するので、その他の構成部品に関連する詳細な説明を省略する。なお図中、同一の構成部品については同一の符号を用いて示す。
この文脈において、実施の形態2に係る駆動電流検出手段22は、共振コンデンサ12の両端のコンデンサ電圧VCを検出するコンデンサ電圧検出手段28を有し、コンデンサ電圧VCからLCR共振回路部14に流れる駆動電流Iを検出するものである。
また、実施の形態2に係る材質測距センサ2は、実施の形態1と同様、対象物Tの構成金属および距離(M,d)の両方を検知できるが、いずれか一方を検知する測距センサまたは近接センサ(材質センサ)として利用することもできる。
さらに付言すると、実施の形態2においても、実施の形態1と同様、1次成分抽出手段24の代わりに、n次成分抽出手段(図示せず)を用いて、駆動周波数のn倍と周波数成分を有するn次成分VCnを抽出し、制御部18は[数7]からn次成分の駆動電流Inを算出するようにしてもよい。
図8〜図10を参照しながら、本願発明に係る材質測距センサの実施の形態3について以下に説明する。実施の形態3に係る材質測距センサ3は、概略、検知マップ上の検知領域DRと非検知領域NRを設定できる点を除いて、実施の形態1の材質測距センサ1と同様の構成を有するので、その他の構成部品に関連する詳細な説明を省略する。なお図中、同一の構成部品については同一の符号を用いて示す。
図8に示す材質測距センサ3は、メモリ26で記憶された検知マップ上において、検知領域DRおよび非検知領域NRをユーザにより設定できる入力手段30を有する。そして実施の形態3に係る制御部18は、算出された共振周波数Frおよび負荷抵抗Rが検知マップ上の検知領域DRに含まれる場合に限り、対象物Tを構成する材質Mまたは検知コイルから対象物までの距離d、あるいは両方を検知するものである。
さらに択一的には、メーカが事前に設定した検知領域DRおよび非検知領域NRを、既知の対象物Tについて事前に検知された共振周波数と負荷抵抗(Fr,R)に対する金属材質と距離(M,d)とともに、メモリ26内に記憶させて、特定の用途を有する材質測距センサ1としてユーザに提供してもよい。すなわち実施の形態3の材質測距センサ1は、入力手段30を有さず、これに内蔵されたメモリ26に、検知領域DRと非検知領域NRを事前に記憶させておいてもよい。
図11を参照しながら、本願発明に係る材質測距センサの実施の形態4について以下に説明する。実施の形態4に係る材質測距センサ4は、概略、算出された負荷抵抗Rおよび抽出された駆動電流Iに基づいて、検知コイル10が電磁誘導により対象物Tに与えた電力量Qを算出する電力量算出手段32をさらに有する点を除いて、実施の形態1の材質測距センサ1と同様の構成を有するので、その他の構成部品に関連する詳細な説明を省略する。なお図中、同一の構成部品については同一の符号を用いて示す。
このとき、検知コイル10が電磁誘導により対象物Tに与えた電力Wは、次式で算出することができる。
たとえば対象物Tが検知コイル10に近接した状態で長時間放置されたとき、検知コイル10による誘導加熱で対象物Tが過剰に加熱される場合があるが、実施の形態4によれば、電力量算出手段32で算出された対象物Tの発熱量(電力量Q)を常時モニタし、これが閾値電力量Qthを越えたとき、LCR共振回路部14に対する高周波電流の供給を停止または低減することにより、対象物Tの過剰な発熱を未然に防止することができる。
Claims (10)
- 対象物を構成する金属ならびに検知コイルから対象物までの距離のうちの少なくとも一方を検知するセンサであって、
検知コイルおよび共振コンデンサからなるLCR共振回路部と、
前記LCR共振回路部に所定の周波数を有する高周波電流を供給するための駆動部と、
前記LCR共振回路部の両端に印加される駆動電圧を検出する駆動電圧検出手段と、
前記LCR共振回路部に流れる駆動電流を検出する駆動電流検出手段と、
検出された駆動電圧および駆動電流から、前記所定の周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含むn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出するn次成分抽出手段と、
n次駆動電圧およびn次駆動電流から、前記LCR共振回路部の共振周波数および負荷抵抗を算出する制御部と、
複数の既知の対象物を構成する金属および複数の既知の検知コイルから対象物までの距離について事前に検知した共振周波数と負荷抵抗との関係を示す検知マップを記憶する記憶部とを備え、
前記制御部は、算出された共振周波数および負荷抵抗と、前記記憶部で記憶された共振周波数および負荷抵抗とを比較することにより、対象物を構成する金属ならびに前記検知コイルから対象物までの距離のうちの少なくとも一方を検知することを特徴とするセンサ。 - 駆動電流検出手段は、共振コンデンサの両端のコンデンサ電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段を有し、コンデンサ電圧からLCR共振回路部に流れる駆動電流を検出することを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 記憶部に接続され、記憶された共振周波数および負荷抵抗について、検知マップ上の検知領域と非検知領域をユーザにより設定可能な入力手段をさらに有し、
制御部は、算出された共振周波数および負荷抵抗が検知領域に含まれる場合に限り、対象物を構成する材質ならびに検知コイルから対象物までの距離のうちの少なくとも一方を検知することを特徴とする請求項1または2に記載のセンサ。 - 記憶部は、記憶された共振周波数および負荷抵抗について、検知マップ上の検知領域と非検知領域を記憶し、
制御部は、算出された共振周波数および負荷抵抗が検知領域に含まれる場合に限り、対象物を構成する材質ならびに検知コイルから対象物までの距離のうちの少なくとも一方を検知することを特徴とする請求項1または2に記載のセンサ。 - 算出された負荷抵抗および抽出されたn次駆動電流に基づいて、検知コイルが電磁誘導により対象物に与えた電力量を算出する電力量算出手段をさらに有し、
制御部は、算出された電力量が所定の閾値電力量を越えたとき、LCR共振回路部に対する高周波電流の供給を停止または低減するように駆動部を制御することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1に記載のセンサ。 - 対象物を構成する金属ならびに検知コイルから対象物までの距離のうちの少なくとも一方を検知する方法であって、
検知コイルおよび共振コンデンサからなるLCR共振回路部に所定の周波数を有する高周波電流を供給するステップと、
前記LCR共振回路部の両端に印加される駆動電圧を検出するステップと、
前記LCR共振回路部に流れる駆動電流を検出するステップと、
検出された駆動電圧および駆動電流から、所定の周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含むn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出するステップと、
n次駆動電圧およびn次駆動電流から、前記LCR共振回路部の共振周波数および負荷抵抗を算出するステップと、
複数の既知の対象物を構成する金属および複数の既知の検知コイルから対象物までの距離について事前に検知した共振周波数と負荷抵抗との関係を示す検知マップを記憶するステップと、
算出された共振周波数および負荷抵抗と、記憶された共振周波数および負荷抵抗とを比較することにより、対象物を構成する金属ならびに検知コイルから対象物までの距離のうちの少なくとも一方を検知するステップとを有するたことを特徴とする方法。 - 駆動電流を検出するステップは、共振コンデンサの両端のコンデンサ電圧を検出し、コンデンサ電圧からLCR共振回路部に流れる駆動電流を検出することを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 記憶された共振周波数および負荷抵抗について、検知マップ上の検知領域と非検知領域を設定するステップと、
算出された共振周波数および負荷抵抗が検知領域に含まれる場合に限り、対象物を構成する材質ならびに検知コイルから対象物までの距離のうちの少なくとも一方を検知することを特徴とする請求項6または7に記載の方法。 - 記憶された共振周波数および負荷抵抗について、検知マップ上の検知領域と非検知領域を記憶するステップと、
算出された共振周波数および負荷抵抗が検知領域に含まれる場合に限り、対象物を構成する材質ならびに検知コイルから対象物までの距離のうちの少なくとも一方を検知することを特徴とする請求項6または7に記載の方法。 - 算出された負荷抵抗および抽出されたn次駆動電流に基づいて、検知コイルが電磁誘導により対象物に与えた電力量を算出するステップと、
算出された電力量が所定の閾値電力量を越えたとき、LCR共振回路部に対する高周波電流の供給を停止または低減するステップとを有することを特徴とする請求項6〜9のいずれか1に記載の方法。
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