JP4175570B2

JP4175570B2 - 近接センサ及び近接検出方法

Info

Publication number: JP4175570B2
Application number: JP2005254482A
Authority: JP
Inventors: 和廣山川; 実雄右田
Original assignee: 株式会社アヅマシステムズ
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: JP2007068082A

Description

本発明は、金属の近接を検出する近接センサ及び近接検出方法に関し、特に、価格性能比を飛躍的に高めることができる近接センサ及び近接検出方法に関する。

金属の近接を検出する近接センサが広く普及している（例えば、特許文献１参照）。この種の近接センサとしては、非接触型マイクロスイッチとして使用される近接スイッチだけでなく、金属との近接距離を検出する距離センサ、金属の材質を判定する材質センサ、コイン（硬貨、遊技メダルなど）の通過を検出するコインセンサ、金属球（パチンコ用遊技球など）の貫通を検出する金属球センサなどが含まれる。

特許文献１に記載される近接センサは、検出コイルを含む高周波発振回路を備えた高周波発振型近接スイッチであり、金属が検出コイルに近接したとき、高周波発振回路の発振振幅や発振周波数が変化することを利用し、金属の近接や材質を判定する。すなわち、高周波発振回路の発振振幅や発振周波数は、金属との近接距離に応じて変化するだけでなく、金属の材質（透磁率、導電率などの違い）に応じて変化するのであり、例えば、振幅測定方式の近接スイッチでは、磁性金属（鉄など）の近接を良好に検出でき、周波数測定方式の近接スイッチでは、非磁性金属（アルミなど）の近接を良好に検出できる。また、両方式を兼ね備えた近接スイッチでは、磁性金属及び非磁性金属の近接を良好に検出でき、かつ、金属の材質判定も良好に行うことができる。
特許第２５５０６２１号公報

しかしながら、従来における周波数測定方式の近接センサは、金属の近接に応じた周波数変化を測定するにあたり、高周波発振を継続しつつ、その僅かな位相ズレを測定しているため、同期検波回路などの複雑な回路が必要になり、振幅測定方式の近接センサに比べて、著しく高価になるという問題がある。また、僅かな位相ズレをデジタル回路で検出することも可能ではあるが、この場合には、極めて高速で動作するカウンタやＣＰＵが必要になるため、却ってコスト高となる可能性がある。

上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作された本発明の近接センサは、金属の近接を検出する近接センサであって、請求項１の発明は、金属の近接を検出する近接センサであって、検出コイルにコンデンサを接続してなる共振回路と、該共振回路に対して駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、該駆動信号出力手段の信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを測定する位相ズレ測定手段とを備えると共に、前記位相ズレ測定手段は、前記駆動信号出力手段の信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント手段と、該自由振動波カウント手段が所定数の自由振動波をカウントするまでの時間を計測するカウント時間計測手段とを備えることを特徴とする近接センサである。このようにすると、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを簡単な回路構成で精度良く測定することが可能になる。すなわち、共振回路から減衰状に出力される自由振動波にあっては、金属の近接に伴う振動波の位相ズレが明確に現れるだけでなく、位相ズレが振動波の数だけ蓄積されるので、高速なカウンタを持たない安価なデジタル回路でも、位相ズレを高精度に測定することができる。しかも、このような検出方式によれば、検出コイルを励磁コイルに兼用できるので、コイル数を削減して更なるコストダウンが図れると共に、蓄積された位相ズレを安価なデジタル回路で高精度に測定することができる。
請求項２の発明は、前記所定数が２〜１００であることを特徴とする請求項１記載の近接センサである。このようにすると、要求される測定精度やコイルの性能（価格）に応じて所定数（以下、自由振動波カウント数という。）を任意に定め、価格性能比に優れた近接センサの提供が可能になる。例えば、価格を優先する場合には、自由振動波の減衰が大きい安価なコイルを用い、自由振動波カウント数を２〜１０程度に設定し、また、精度を優先する場合には、自由振動波の減衰が小さい高価なコイルを用い、自由振動波カウント数を１０〜１００程度に設定することができる。
請求項３の発明は、金属の近接を検出する近接検出方法であって、検出コイルにコンデンサを接続してなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを測定するするにあたり、前記共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントしつつ、所定数の自由振動波がカウントされるまでの時間を計測し、該計測時間にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを測定することを特徴とする近接検出方法である。このようにすると、共振回路から減衰状に出力される自由振動波においては、金属の近接に伴う振動波の位相ズレが明確に現れるだけでなく、この位相ズレが振動波の数だけ蓄積されるので、高速なカウンタを持たない安価なデジタル回路でも、位相ズレを高精度に測定することができると共に、蓄積された位相ズレを安価なデジタル回路で高精度に測定することができる。
請求項４の発明は、前記所定数が２〜１００であることを特徴とする請求項３記載の近接検出方法である。このようにすると、要求される測定精度やコイルの性能（価格）に応じて自由振動波カウント数を任意に定め、価格性能比に優れた近接センサの提供が可能になる。

以上のように本発明によれば、駆動信号出力停止後に共振回路から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを測定するので、振動波の位相ズレを簡単な回路構成で精度良く測定することが可能になる。すなわち、共振回路から減衰状に出力される自由振動波においては、金属の近接に伴う振動波の位相ズレが明確に現れるだけでなく、この位相ズレが振動波の数だけ蓄積されるので、高速なカウンタを持たない安価なデジタル回路でも、位相ズレを高精度に測定することができる。しかも、このような検出方式によれば、検出コイルを励磁コイルに兼用できるので、コイル数を削減して更なるコストダウンが図れる。

次に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１において、１は金属の近接を検出する近接センサであって、該近接センサ１は、共振回路２、１チップマイコン３及びピークホールド４を備えて構成されている。共振回路２は、検出コイルＬにコンデンサＣを接続して構成され、１チップマイコン３内に構成される駆動信号出力手段によって駆動される。１チップマイコン３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、比較器、Ａ／Ｄ変換器などが内蔵されており、所定の処理手順（プログラム）をＲＯＭに書き込むことにより、駆動信号出力手段、位相ズレ測定手段及び振幅測定手段として動作する。

位相ズレ測定手段は、駆動信号出力手段の信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを測定するように構成される。このようにすると、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを簡単な回路構成で精度良く測定することが可能になる。すなわち、共振回路２から減衰状に出力される自由振動波にあっては、金属の近接に伴う振動波の位相ズレが明確に現れるだけでなく、位相ズレが振動波の数だけ蓄積されるので、高速なカウンタを持たない安価なデジタル回路でも、位相ズレを高精度に測定することができる。しかも、このような検出方式によれば、検出コイルＬを励磁コイルに兼用できるので、コイル数を削減して更なるコストダウンが図れる。

本実施形態では、駆動信号出力手段の信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント手段と、自由振動波カウント手段が所定数ｎの自由振動波をカウントするまでの時間を計測するカウント時間計測手段とを用いて位相ズレ測定手段を構成している。このようにすると、累積された位相ズレを安価なデジタル回路で高精度に測定することができる。自由振動波カウント数ｎは、自由に設定することが可能であるが、２〜１００に設定することが好ましい。このようにすると、要求される測定精度やコイルの性能（価格）に応じて自由振動波カウント数ｎを任意に定め、価格性能比に優れた近接センサ１の提供が可能になる。例えば、価格を優先する場合には、自由振動波の減衰が大きい安価なコイルを用い、自由振動波カウント数ｎを２〜１０程度に設定し、また、精度を優先する場合には、自由振動波の減衰が小さい高価なコイルを用い、自由振動波カウント数ｎを１０〜１００程度に設定することができる。

共振回路２は、検出コイルＬにコンデンサＣを直列に接続した直列共振回路であることが好ましい。このようにすると、直列共振回路の作用によって、最大でソース電圧（例えば５Ｖ）のＱ倍（例えば８倍）の電圧を検出コイルＬに印加できるので、共振回路２から振幅の大きい自由振動波を出力することができる。これにより、自由振動波カウント数ｎを多くし、測定精度を更に高めることができるだけでなく、ノイズにも強いものとできる。しかも、振幅の大きい自由振動波は、増幅器を介さずに１チップマイコン３（位相ズレ測定手段）に直接入力できるので、回路構成がよりシンプルになり、更なるコストダウンが可能になる。

なお、検出コイルＬに印加される最大電圧Ｖ_ＬＭＡＸは、以下に示す式で求めることができる。ただし、ω_０は共振角周波数、Ｌは検出コイルＬのインダクタンス、Ｒは検出コイルＬの抵抗、ＣはコンデンサＣのキャパシタンス、Ｖ_Ｓはソース電圧、Ｑは共振回路の良好度である。

本実施形態の駆動信号出力手段は、駆動パルス信号によって共振回路２を強制振動させるにあたり、複数の駆動パルス信号により共振回路２を強制振動させた後、駆動信号出力を停止する。このようにすると、単発の駆動パルス信号で共振回路２を強制振動させる場合に比べ、強制振動波の振幅を大きくできる。特に、強制振動波の振幅が最大になるように所定の共振周波数で数発（例えば６発）の駆動パルス信号を出力すれば、駆動信号出力停止後に共振回路２から出力される自由振動波の振幅をより大きくし、測定精度を更に高めることが可能になる。
なお、共振回路２を強制振動させる共振周波数ｆは、以下に示す式で求めることができる。

振幅測定手段は、共振回路２から出力される自由振動波の振幅を測定する。具体的には、ピークホールド４がホールドしたピーク値をＡ／Ｄ変換器を介して１チップマイコン３内に読み込む。このようにすると、自由振動波の振幅及び位相ズレを測定し、金属の材質なども高精度に判定することが可能になる。

次に、１チップマイコン３内の処理手順について、図２を参照して説明する。この図に示すように、１チップマイコン３は、まず、比較器のＲＥＦ電圧を設定した後（Ｓ１）、駆動信号出力処理（Ｓ２：駆動信号出力手段）と、位相ズレ測定処理（Ｓ３〜Ｓ５：位相ズレ測定手段）と、振幅測定処理（Ｓ６〜Ｓ８：振幅測定手段）と、近接判定処理（Ｓ９〜Ｓ１１）とを繰り返し実行する。

駆動信号出力処理は、強制振動波の振幅が最大になるように、共振回路２に対して所定の共振周波数で数発の駆動パルス信号を出力する。位相ズレ測定処理は、駆動信号出力停止後、自由振動波カウンタ及び時間計測カウンタをクリアし、共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントしつつ、自由振動波カウンタが所定数ｎになるまでの時間を計測する。振幅測定処理は、所定数ｎの自由振動波がカウントされた後、ピークホールド４をリセットすると共に、所定時間（数ｍ秒）のウエイト後にＡ／Ｄ変換器を介してピークホールド値を読み込む。近接判定処理は、測定した位相ズレ（時間計測カウンタ値）及び振幅（ピークホールド値）を判定用の規定値と比較し、検知信号（ＯＮ／ＯＦＦ）の出力を行う。

次に、本実施形態に係る近接センサ１の動作について、図３〜図１１を参照して説明する。
図３は、駆動パルス信号波形（ａ点）及び共振回路の振動波形（ｂ点）を示す説明図である。この図に示すように、１チップマイコン３は、所定電圧（例えば５Ｖ）の駆動パルス信号を出力し、共振回路２を強制振動させる。このとき、本実施形態では、所定の共振周波数で数発（例えば６発）の駆動パルス信号を出力することにより、検出コイルＬに最大電圧（例えば４０Ｖ）を印加させる。そして、駆動パルス信号の出力を停止した後は、共振回路２から複数の自由振動波が減衰状に出力される。

図４は、十数個目の自由振動波を拡大した説明図、図５は、検出コイルに金属が近接（７ｍｍ）したときとの位相ズレを示す説明図、図６は、検出コイルに金属が近接（３ｍｍ）したときとの位相ズレを示す説明図である。これらの図に示すように、共振回路２から出力される自由振動波は、十数個目であっても検出に十分な振幅を保っている。ここで、検出コイルＬに金属（コイン：非磁性金属）が近接すると、検出コイルＬから発生する磁束が近接した金属に磁気的に干渉し、自由振動波の位相が進む。金属の近接に伴う自由振動波の位相ズレは、強制振動波に比べて明確に現れるだけでなく、自由振動波の個数分だけ蓄積されるので、低速なカウンタでも高精度に位相ズレを測定することが可能になる。

また、図５及び図６に示すように、自由振動波の位相ズレは、検出コイルＬに金属が近づくほど大きくなるので、自由振動波の位相ズレにもとづいて、検出コイルＬと金属の距離を高精度に測定することが可能になる。図１１は、金属の近接距離（ｍｍ）と位相ズレ（μｓｅｃ）の関係を示しており、検出コイルＬに金属が近づくほど自由振動波の位相ズレが大きくなることが解る。特に、１０〜２０個目の自由振動波を見ている位相ズレデータにあっては、位相ズレが１０〜２０倍に加算されているので、極めて高精度な距離測定が可能になる。

図７は、自由振動波形（ｂ点）と比較器出力（ｃ点）の関係を示す説明図、図８は、検出コイルに金属が近接していないときの比較器出力を示す拡大図、図９は、検出コイルに金属が近接（７ｍｍ）したときとの比較器出力を示す説明図、図１０は、検出コイルに金属が近接（３ｍｍ）したときとの比較器出力を示す説明図である。これらの図に示すように、共振回路２から出力される自由振動波は、十数個目であっても検出に十分な振幅を保っているので、比較器によって明確な矩形波に変換することができる。ここで、検出コイルＬに金属が近接すると、比較器出力波形の位相が進む。図９及び図１０から明らかなように、金属の近接に伴う位相ズレは、自由振動波の個数が増えるほど蓄積され、測定が容易になる。

また、図８及び図１０から明らかなように、金属の近接に伴って自由振動波の振幅が変化している。この振幅変化を測定することにより、金属の近接を二重に検出し、より信頼性の高い近接判定が可能になるだけでなく、位相ズレと振幅変化の組み合せパターンにもとづいて、金属の材質判定を行うことができる。

叙述の如く構成された本実施形態の近接センサ１は、検出コイルＬにコンデンサＣを接続してなる共振回路２と、該共振回路２に対して駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、該駆動信号出力手段の信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを測定する位相ズレ測定手段とを備えるので、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを簡単な回路構成で精度良く測定することが可能になる。すなわち、共振回路２から減衰状に出力される自由振動波にあっては、金属の近接に伴う振動波の位相ズレが明確に現れるだけでなく、位相ズレが振動波の数だけ蓄積されるので、高速なカウンタを持たない安価なデジタル回路でも、位相ズレを高精度に測定することができる。しかも、このような検出方式によれば、検出コイルＬを励磁コイルに兼用できるので、コイル数を削減して更なるコストダウンが図れる。

また、位相ズレ測定手段は、駆動信号出力手段の信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント手段と、該自由振動波カウント手段が所定数ｎの自由振動波をカウントするまでの時間を計測するカウント時間計測手段とを備えるので、蓄積された位相ズレを安価なデジタル回路で高精度に測定することができる。

また、自由振動波カウント数ｎを２〜１００とした場合には、要求される測定精度やコイルの性能（価格）に応じ自由振動波カウント数を任意に定め、価格性能比に優れた近接センサ１の提供が可能になる。例えば、価格を優先する場合には、自由振動波の減衰が大きい安価なコイルを用い、自由振動波カウント数ｎを２〜１０程度に設定し、また、精度を優先する場合には、自由振動波の減衰が小さい高価なコイルを用い、自由振動波カウント数ｎを１０〜１００程度に設定することができる。

また、共振回路２は、検出コイルＬにコンデンサＣを直列に接続してなる直列共振回路であり、直列共振回路の作用によって、最大でソース電圧のＱ倍の電圧を検出コイルＬに印加できるので、共振回路２から振幅の大きい自由振動波を出力することができる。これにより、自由振動波カウント数ｎを多くし、測定精度を更に高めることができるだけでなく、ノイズにも強いものとできる。

また、駆動信号出力手段は、複数の駆動パルス信号により共振回路２を強制振動させた後、駆動信号出力を停止するので、単発の駆動パルス信号で共振回路２を強制振動させる場合に比べ、強制振動波の振幅を大きくできる。特に、強制振動波の振幅が最大になるように数発の駆動パルス信号を出力すれば、駆動信号出力停止後に共振回路２から出力される自由振動波の振幅をより大きくし、測定精度を更に高めることが可能になる。

また、位相ズレ測定手段は、共振回路２の出力信号を、増幅器を介さずに直接入力するので、回路構成がよりシンプルになり、更なるコストダウンが可能になる。

また、駆動信号出力手段及び位相ズレ測定手段は、１チップマイコン３内に構成されるので、共振回路２（検出コイルＬ、コンデンサＣ）と１チップマイコン３だけでも高性能な近接センサ１を構成することが可能になる。

また、共振回路２から出力される自由振動波の振幅を測定する振幅測定手段を更に備えるので、自由振動波の振幅及び位相ズレにもとづいて、金属の材質なども高精度に判定することが可能になる。

尚、本発明は、前記実施形態に限定されないことは勿論である。例えば、本実施形態では、十数個目の自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う位相ズレを測定しているが、一個目の自由振動波にもとづいて、位相ズレを測定してもよい。

近接センサの構成を示すブロック図である。１チップマイコンの処理手順を示すフローチャートである。駆動パルス信号波形（ａ点）及び共振回路の振動波形（ｂ点）を示す説明図である。十数個目の自由振動波を拡大した説明図である。検出コイルに金属が近接（７ｍｍ）したときとの位相ズレを示す説明図である。検出コイルに金属が近接（３ｍｍ）したときとの位相ズレを示す説明図である。自由振動波形（ｂ点）と比較器出力（ｃ点）の関係を示す説明図である。検出コイルに金属が近接していないときの比較器出力を示す拡大図である。検出コイルに金属が近接（７ｍｍ）したときとの比較器出力を示す説明図である。検出コイルに金属が近接（３ｍｍ）したときとの比較器出力を示す説明図である。金属の近接距離と位相ズレの関係を示すグラフである。

符号の説明

１近接センサ
２共振回路
３１チップマイコン
４ピークホールド
Ｃコンデンサ
Ｌ検出コイル

Claims

金属の近接を検出する近接センサであって、
検出コイルにコンデンサを接続してなる共振回路と、
該共振回路に対して駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
該駆動信号出力手段の信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを測定する位相ズレ測定手段とを備えると共に、
前記位相ズレ測定手段は、
前記駆動信号出力手段の信号出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントする自由振動波カウント手段と、
該自由振動波カウント手段が所定数の自由振動波をカウントするまでの時間を計測するカウント時間計測手段とを備えることを特徴とする近接センサ。
前記所定数が２〜１００であることを特徴とする請求項１記載の近接センサ。
金属の近接を検出する近接検出方法であって、検出コイルにコンデンサを接続してなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを測定するするにあたり、
前記共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントしつつ、所定数の自由振動波がカウントされるまでの時間を計測し、該計測時間にもとづいて、金属の近接に伴う振動波の位相ズレを測定することを特徴とする近接検出方法。
前記所定数が２〜１００であることを特徴とする請求項３記載の近接検出方法。