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
【課題】本願発明は、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を極めて短時間で検知できる材質測距センサを提供する。
【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。
【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、対象物を構成する金属および対象物までの距離のうちの少なくとも一方（すなわち対象物の構成金属と対象物までの距離の両方またはいずれか一方）を検知するセンサおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属からなる対象物までの距離を検知する測距センサとして、検知コイルと共振用のコイルを用いて、金属対象物までの距離に応じて変化するインダクタンスを検知することにより距離を計測するものが提案されていた。
【０００３】
また特許文献１は、対象物までの距離を検知することを主たる目的とするセンサ（測距センサ）ではないが、近接する対象物が磁性または非磁性（鉄またはアルミニウム）であるかによらず同一の感度特性で検知し、あるいは磁性または非磁性の一方に対してより高い感度特性で検知する高周波発振型近接スイッチを記載している。すなわち特許文献１に記載の高周波発振型近接スイッチは、対象物を構成する金属の如何を判定する材質センサとして機能するものである。
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。
【０００４】
一方、特許文献２は、同様に主たる目的を距離測定とするもの（測距センサ）ではないが、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近接センサ（材質センサ）を教示している。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０２−３１２３１６号公報
【特許文献２】特開昭６３−３１６５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の高周波発振型近接スイッチによれば、近接対象物が鉄またはアルミニウムであるか否かを判別するためには、上述のように、各共振タンク回路の共振周波数を事前に設定しておくことが必要であり、一旦設定した後には、判別したい近接対象物の磁性特性を変更するには、各共振タンク回路の共振周波数の再設定が必要であり、容易でない。
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）。
【０００７】
また特許文献２に記載の近接センサは、位相差の正負に基づいて、被検知物体が単に良導電体または磁性体であるかを検知するものであり、被検知物体を構成する材質についてまで検知することはできない。すなわち特許文献２に記載の近接センサは、特許文献１に記載の高周波発振型近接スイッチと同様、所定の位置に近接した被検知物体が良導電体であるか否かについて検知するものであり、被検知物体までの距離を正確に検知することはできない。
【０００８】
したがって、対象物を構成する金属を検知するとともに、検知コイルから対象物までの距離を正確に検知するセンサの実現が望まれていた。また、こうした構成金属および対象物までの距離を瞬時に検知することができるセンサや、所望の金属材質からなる対象物を選択的に検知できる汎用性の高いセンサが期待されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで本願発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、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ものである。
【発明の効果】
【００１０】
本願発明に係る材質測距センサ（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センサ）によれば、ｎ次成分抽出手段を用いて検知コイルの共振周波数および負荷抵抗を瞬時に算出することにより、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を極めて短時間で検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本願発明の実施の形態１に係る材質測距センサの概略的な電気的構成を示す回路ブロック図である。
【図２】駆動電圧検出手段および駆動電流検出手段により検出された駆動電圧および駆動電流の波形図である。
【図３】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示すものである。
【図４】実施の形態１の変形例１に係る検知マップを示すものである。
【図５】実施の形態１の変形例２に係る検知マップを示すものである。
【図６】無限遠ポイントから対象物までの仮想的距離と、検知コイルから対象物までの実際の距離との関係を示すグラフである。
【図７】実施の形態２に係る材質測距センサの概略的な電気的構成を示す回路ブロック図である。
【図８】実施の形態３に係る材質測距センサの概略的な電気的構成を示す回路ブロック図である。
【図９】実施の形態３に係る材質測距センサが用いる検知マップを示すものである。
【図１０】実施の形態３に係る材質測距センサが用いる別の検知マップを示すものである。
【図１１】実施の形態４に係る材質測距センサの概略的な電気的構成を示す回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本願発明に係るセンサの実施の形態を説明する。本願発明に係るセンサは、対象物を構成する金属材質を特定するとともに、対象物までの距離を検知するものであり、この文脈において、以下単に「材質測距センサ」という。各実施の形態の説明および以下の添付図面において、同様の構成部品については同様の符号を用いて参照する。
【００１３】
実施の形態１．
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。
【００１４】
駆動部１６は、ＬＣＲ共振回路部１４に高周波電流を供給するものであれば任意の構成を有していてもよい。たとえば詳細図示しないが、商用電源を全波整流または半波整流する整流回路、これに並列に接続された平滑コンデンサ、およびＩＧＢＴなどのスイッチング素子を含むハーフブリッジ式またはフルブリッジ式のインバータ回路を用いて構成することができる。択一的には、スイッチング素子の代わりにオペアンプやトランジスタなどで駆動しても構わない。また整流回路の代わりに、乾電池等の携帯可能な蓄電池を用いてもよい。
【００１５】
検知コイル１０に高周波電流が供給されると、その周囲に交流磁場を形成し（交流磁場が金属対象物Ｔと鎖交し）、金属対象物Ｔに渦電流が流れる。このとき、検知コイル１０の負荷抵抗Ｒは、金属対象物Ｔが無限遠に配置されているときの検知コイル１０自体の線抵抗ＲＣに、金属対象物Ｔが近接配置されたことによる金属対象物Ｔの見かけ上の負荷抵抗ＲＬを加えたものに相当する（Ｒ＝ＲＣ＋ＲＬ）。
【００１６】
また材質測距センサ１は、ＬＣＲ共振回路部１４の両端に印加される駆動電圧Ｖを検出する駆動電圧検出手段２０と、ＬＣＲ共振回路部１４に流れる駆動電流Ｉを検出する駆動電流検出手段２２と、駆動電圧検出手段２０および駆動電流検出手段２２に電気的に接続された１次成分抽出手段２４とを有する。
【００１７】
駆動電圧検出手段２０は、ＬＣＲ共振回路部１４の両端に印加される駆動電圧（駆動部１６の出力電圧）Ｖを検出するものであれば任意の回路構成を有していてもよい。
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。
【００１８】
制御部１８は、駆動部１６を構成するインバータ回路のＩＧＢＴなどのスイッチング素子に所定の駆動周波数（たとえば１０ｋＨｚ）でスイッチングする制御信号（ゲート信号）を供給するものであり、オペアンプやトランジスタに駆動周波数の信号を供給するものである。このとき駆動部１６は、ＬＣＲ共振回路部１４に高周波電流を供給し、駆動電圧検出手段２０および駆動電流検出手段２２は、図２に示すような高周波変調された駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉを検出する。なお、制御部１８が駆動部１６のスイッチング素子に供給する制御信号は、正弦波、矩形波、または三角波等の任意の波形を有するものであってもよい。
【００１９】
一般に、高周波変調された駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉは、駆動周波数の自然数倍の高次周波数成分を含む合成波形として表される。また駆動周波数がたとえば１０ｋＨｚであるとき、検出される駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉ（図２）の１周期は０．１ｍ秒に相当する。
【００２０】
本願発明に係る１次成分抽出手段２４は、駆動電圧検出手段２０および駆動電流検出手段２２で検出された駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉ（図２）を、より高いサンプリング周波数で離散フーリエ変換することにより、駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉの１次成分だけを抽出するものである。より具体的には、１次成分抽出手段２４は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）を有し、図２に示すようなアナログ信号として検出された駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉを、たとえば駆動周波数のｋ倍（ｋは２以上の自然数）のサンプリング周波数でサンプリングしてデジタル信号に変換し、サンプリングされた複数の高次周波数成分を有する信号から１次成分のみの信号を抽出するものである。なお高次周波数成分を有する信号から１次成分のみの信号を抽出する手法およびアルゴリズムとしては、任意のものを利用することができ、一般に市販されたソフトウェアを用いて駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉの１次成分だけを抽出することができる。
【００２１】
択一的には、１次成分抽出手段２４の代わりに、Ａ／Ｄ変換器でサンプリングされた複数の高次周波数成分を有する信号から、駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉのより高次のｎ次成分（ｎは２以上の自然数、たとえば３次成分）を抽出するｎ次成分抽出手段を用いてもよい。すなわちｎ次成分抽出手段は、１次成分抽出手段２４と互いに置換可能であるから、以下においては１次成分抽出手段２４を用いて本願発明を説明する。
【００２２】
１次成分抽出手段２４で抽出される駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉの１次成分は、次式のように複素表示することができる。
【数１】
ここで、Ｖ１，Ｉ１は駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉの１次成分を示し、Ｖ１Re，Ｉ１ReはＶ１，Ｉ１の実部、Ｖ１Im，Ｉ１ImはＶ１，Ｉ１の虚部、そしてｊは虚数単位を示す。
【００２３】
このとき、ＬＣＲ共振回路部１４のインピーダンスＺは次式で表される。
【数２】
ここで、ＺＲｅおよびＺＩｍはインピーダンスＺの実部および虚部を示す。
【００２４】
一方、ＬＣＲ共振回路部１４のインピーダンスＺは、一般に、上記の検知コイル１０のインダクタンスＬおよび負荷抵抗Ｒ、ならびに共振コンデンサ１２の静電容量Ｃを用いて、次式で表される。
【数３】
ここで、ωはｆ／２πで表される角速度である（ｆは駆動周波数と同じ）。
【００２５】
すなわち、上記［数２］と［数３］を比較すると、次式が成立する。
【数４】
このとき、ωは１次成分の周波数ｆ（すなわち駆動周波数と同一）を用いて表され（ω＝２πｆ）、Ｃは共振コンデンサ１２の静電容量であり、ともに既知の値である。
【００２６】
また、ＬＣＲ共振回路部１４の共振周波数Ｆｒは、一般に、検知コイル１０のインダクタンスＬおよび共振コンデンサ１２の静電容量Ｃを用いて、次式で表される。
【数５】
【００２７】
したがって本願発明に係る制御部１８は、駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉの１次成分から、［数３］よりインピーダンスＺの実部および虚部を求め、［数４］よりＬＣＲ共振回路部１４の負荷抵抗ＲおよびインダクタンスＬを算出して、さらに算出されたインダクタンスＬから、［数５］よりＬＣＲ共振回路部１４の共振周波数Ｆｒを算出することができる。
【００２８】
ここで本願発明に係る材質測距センサ１を用いて、さまざまな既知の金属で構成された対象物Ｔについて、検知コイル１０から対象物Ｔまでの距離を変化させて、ＬＣＲ共振回路部１４の共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒをあらかじめ算出し、共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒの関係を示す検知マップ（図３）を作成し、メモリ（記憶部）２６に当該検知マップを記憶させる。
【００２９】
図３において、材質測距センサ１は、たとえば鉄からなる対象物Ｔが検知コイル１０に最接近したとき（対象物Ｔと検知コイル１０との間の距離ｄが実質的にゼロであるとき（ｄ＝０））、一重丸（○）でプロットされた共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒを検知し、対象物Ｔが検知コイル１０から無限遠の位置に配置されたとき（ｄが無限遠）、二重丸（◎）でプロットされた共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒを検知する。なお、負荷抵抗値Ｒがゼロとならないのは、負荷抵抗Ｒが検知コイル１０自体の線抵抗ＲＣを含むためである。
【００３０】
また対象物Ｔと検知コイル１０との間の距離ｄを増大させたとき、共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒの値は、一重丸でプロットされたポイントから、二重丸でプロットされたポイントに向かって推移する。そして本願発明に係る材質測距センサ１を用いて、距離ｄを変化させたときの共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒを事前に算出し、これらの値を距離ｄに関連付けてメモリ２６に記憶しておく。
【００３１】
同様に、本願発明に係る材質測距センサ１を用いて、対象物Ｔが磁性ステンレス（□）、非磁性ステンレス（△）、アルミニウム（×）、銅（☆）、およびこれらを任意に組み合わせたさまざまな合金（図示せず）である場合について、数多くの既知の距離ｄに対する共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒの値を事前に算出し、同様に距離ｄの関数としてメモリに記憶しておく。すなわち本願発明に係る材質測距センサ１は、複数の既知の金属材質Ｍおよび検知コイル１０から対象物Ｔまでの複数の既知の距離ｄについて事前に検知した共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒの関係を示す検知マップを記憶するメモリ（記憶部）２６を有するものである。
【００３２】
そして本願発明に係る材質測距センサ１によれば、実際に、対象物Ｔの構成金属および対象物までの距離を検知するとき、制御部１８は、上述のように共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒを算出し、これをメモリ２６に記憶された共振周波数および負荷抵抗と比較することにより、対象物の構成金属Ｍおよび検知コイルから対象物までの距離ｄを検知することができる。
【００３３】
より具体的には、検知マップ上の共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒの複数の（細分化された）ポイントに関する行列｛Ｆｒｉｊ，Ｒｉｊ｝について、事前に検知された対象物Ｔの構成金属および対象物までの距離に関する行列｛Ｍｉｊ，ｄｉｊ｝をメモリ２６に記憶しておく。すなわちメモリ２６は、検知マップ上の共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒのポイントに関する行列｛Ｆｒｉｊ，Ｒｉｊ｝により一意的に決定される対象物Ｔの構成金属および対象物までの距離に関する行列｛Ｍｉｊ，ｄｉｊ｝を記憶するものである。こうして材質測距センサ１は、実際の対象物Ｔについて検知された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）を算出し、メモリ２６に記憶された検知マップを参照することにより、対応する金属材質と距離（Ｍ，ｄ）を直ちに検知することができる。
【００３４】
なお、算出される共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）は、検知コイル１０に対向する対象物Ｔの大きさ（面積）にも影響されるので、本願発明に係る材質測距センサ１は、対象物Ｔより十分に小さい検知コイル１０を有するものとして構成するか、あるいは検知コイル１０が対象物Ｔより小さいときには、その小さい既知の対象物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）に対応する金属材質と距離（Ｍ，ｄ）をメモリ２６に記憶させておくことが好ましい。
【００３５】
変形例１．
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。
【００３６】
また金属材質Ｍに関しては、曲線Ｃ０上の複数のポイントに対応するもののみ、メモリ２６に記憶しておく。そして算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）は、上記二重丸で示す無限遠ポイントから直線的に推移すると仮定し、実際に算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）のポイント（星印）と上記二重丸で示す無限遠ポイントとを結ぶ直線（長い破線で示す）と、距離ｄが０ｍｍとなるポイントを結ぶ曲線Ｃ０との交点を求め、この交点における共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）に対応する金属材質Ｍをメモリ２６から読み出すことにより、対象物Ｔの構成金属Ｍを簡便に推知することができる。
【００３７】
このように変形例１に係る材質測距センサ１によれば、対象物までの距離ｄが所定の距離となるポイントを結ぶ曲線Ｃｉに関する情報と、曲線Ｃ０上の複数のポイントに対応する金属材質Ｍに関する情報とを記憶することにより、実際の対象物Ｔについて算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）に基づいて、対応する金属材質と距離（Ｍ，ｄ）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。
【００３８】
変形例２．
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。
【数６】
【００３９】
図６は、検知マップ上の無限遠ポイント（Ｆｒ０，Ｒ０）から対象物Ｔまでの仮想的距離ｈと、検知コイル１０から対象物Ｔまでの実際の距離ｄとの関係を示すグラフである。図６に示すように、仮想的距離ｈは、対象物Ｔから検知コイル１０までの実際の距離ｄが実質的にゼロとなったとき、共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）は最大となり、対象物Ｔが検知コイル１０から遠ざかるにつれて（すなわち実際の距離ｄが大きくなるにつれて）、共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）は無限遠ポイント（Ｆｒ０，Ｒ０）に向かって小さくなり、仮想的距離ｈも小さくなる。換言すると、仮想的距離ｈが小さくなるほど、対象物Ｔまでの実際の距離ｄは指数関数的に（または非線形的に）増大する。
【００４０】
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）が図５の検知マップ上の星印で示すポイントでプロットされるとき、仮想的距離ｈに対応する実際の距離ｄを図６のグラフから読み取ることができる。また図６のグラフを規定する試行関数を事前に定義してメモリ２６に記憶しておくことにより、算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）から直ちに実際の距離ｄを算出することができる。
【００４１】
また金属材質Ｍに関しては、変形例１と同様、曲線Ｃ０上の複数のポイントに対応する金属材質Ｍのみをメモリ２６に記憶しておき、実際に算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）のポイント（星印）と上記二重丸で示す無限遠ポイントとを結ぶ直線（長い破線で示す）と、距離ｄが０ｍｍとなるポイントを結ぶ曲線Ｃ０との交点を求め、この交点における金属材質Ｍをメモリ２６から読み出すことにより、対象物Ｔの構成金属Ｍを推知することができる。
【００４２】
このように変形例２によれば、図６のグラフに示す試行関数を表す情報と、曲線Ｃ０上の複数のポイントに対応する金属材質Ｍに関する情報とを記憶することにより、算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）に対応する距離ｄを事前に検知して記憶するまでもなく、算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）から構成金属と距離（Ｍ，ｄ）を極めて簡便な手法で推知することができる。よって、変形例２に係る材質測距センサ１によれば、変形例１に比して、既知の対象物Ｔについて事前に算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）に対応する距離ｄをあらかじめ記憶しておく必要がなく、よりいっそう小さい容量を有するメモリ２６を用いて、製造コストをさらに削減することができる。
【００４３】
以上のように本願発明に係る材質測距センサ１は、１次成分抽出手段２４（またはｎ次成分抽出手段）を用いて、瞬時に（駆動周波数が１０ｋＨｚのとき０．１ｍ秒で）ＬＣＲ共振回路部１４の駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉを抽出し、抽出された駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉに基づいてＬＣＲ共振回路部１４の共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）を算出する。そして本願発明に係る材質測距センサ１は、算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）を、メモリ２６に記憶された構成金属と距離（Ｍ，ｄ）を関連付けた事前検知の共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）と比較することにより、対象物Ｔの構成金属と距離（Ｍ，ｄ）を極めて迅速に検知することができる。
【００４４】
なお、本願発明に係る材質測距センサ１は、上述のように、対象物Ｔの構成金属および距離（Ｍ，ｄ）の両方を検知することができるが、単に対象物Ｔまでの距離（ｄ）のみを検知する測距センサとしても利用することができ、あるいは対象物Ｔの構成金属（Ｍ）を専ら検知する近接センサまたは材質センサとして活用することができる。
【００４５】
実施の形態２．
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。
【００４６】
図７は、実施の形態２に係る材質測距センサ２の概略的な電気的構成を示す、図１と同様の回路ブロック図である。実施の形態１に係る材質測距センサ１は、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等で構成された駆動電流検出手段２２を用いて、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った。しかしながら、こうしたカレントトランスは高価であり、シャント抵抗は抵抗値が低いものの大電流が流れると発熱して相当の電力損失が生じる。そこで実施の形態２に係る材質測距センサ２によれば、図７に示すように、コンデンサ電圧検出手段２８を用いて、共振コンデンサ１２の両端のコンデンサ電圧ＶＣを検出し、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。
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。
【００４７】
より具体的に説明すると、コンデンサ電圧ＶＣは、駆動電圧検出手段２０が検出する駆動電圧Ｖと同様、駆動周波数の自然数倍の高次周波数成分を含み、１次成分抽出手段２４を用いて離散フーリエ変換することにより、コンデンサ電圧ＶＣの１次成分ＶＣ１（駆動周波数と同一の周波数を有する成分）のみを抽出し、複素表示することができる。そしてコンデンサ電圧ＶＣの１次成分ＶＣ１と駆動電流Ｉ１とは、次の関係式を満たす。
【数７】
ここでωはｆ／２πで表される角速度である（ｆは駆動周波数と同じ）、Ｃは共振コンデンサ１２の静電容量であり、ともに既知の値である。
【００４８】
こうして、実施の形態２に係る材質測距センサ２は、コンデンサ電圧検出手段２８を用いてコンデンサ電圧ＶＣを検出し、１次成分抽出手段２４を用いてコンデンサ電圧ＶＣの１次成分ＶＣ１を抽出し、制御部１８により［数７］を求めることにより、実施の形態１に係る材質測距センサ１と同様、ＬＣＲ共振回路部１４の駆動電流Ｉ１を算出することができる。すなわち、実施の形態２に係る材質測距センサ２は、高価なカレントトランスや、電力損失が大きいシャント抵抗を用いることなく、安価で、かつ信頼性の高い駆動電流検出手段２２を用いて、駆動電流Ｉ１を算出することができる。
【００４９】
実施の形態２に係る材質測距センサ２は、ＬＣＲ共振回路部１４の駆動電流Ｉ１および駆動電圧Ｖを求めた後は、実施の形態１と同様に、ＬＣＲ共振回路部１４の負荷抵抗Ｒおよび共振周波数Ｆｒを算出し、メモリ２６に記憶された検知マップを参照することにより、対象物Ｔを構成する金属および対象物Ｔまでの距離（Ｍ，ｄ）を極めて迅速に検知することができる。
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。
【００５０】
なお、コンデンサ電圧ＶＣは、特に共振点近くにおいて高くなるので、駆動電圧検出手段２０で用いられる共振コンデンサ１２は、耐圧の高いものを利用することが好ましい。あるいはコンデンサ電圧ＶＣが極めて高い場合には、コンデンサ電圧検出手段２８は、これを分圧して、分圧されたコンデンサ電圧を検出してもよい。
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。
【００５１】
実施の形態３．
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。
【００５２】
図８は、実施の形態３に係る材質測距センサ３の概略的な電気的構成を示す、図１と同様の回路ブロック図である。図９および図１０は、実施の形態３に係るメモリ２６に事前に記憶された共振周波数および負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）に関する検知マップである。
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。
【００５３】
たとえばユーザが入力手段３０を用いて、メモリ２６に記憶された検知マップにおいて、図９に示すような検知閾値ライン（図９の一点鎖線で示す）により検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲを画定してもよい。なお入力手段３０は、当業者により広く知られた任意の入力装置を用いることができ、たとえば手書き入力を可能とするグラフィックデバイスインターフェイス（ＧＤＩ）を有するタッチパネルであってもよいし、単に数値閾値を入力するテンキーであってもよい。
【００５４】
入力手段３０を用いて、図９に示す検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲが設定されたとき、実施の形態３の制御部１８は、対象物Ｔが磁性ステンレスおよび鉄等の磁性金属で構成される場合には、算出される共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒが非検知領域ＮＲに属するので対象物Ｔを検知しない。他方、制御部１８は、対象物Ｔが非磁性ステンレス、アルミニウム、および銅またはこれらの合金等の非磁性金属で構成される場合には、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に含まれるので、これらの特定の材質からなる対象物Ｔに限定して、対象物Ｔまでの距離ｄを検知する。したがって、図９に示す検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲが設定された検知マップを有する材質測距センサ３は、専ら特定の非磁性金属（Ｍ）で構成された対象物Ｔまでの距離ｄを検知する近接センサまたは材質センサとして利用することができる。
【００５５】
同様に、入力手段３０を用いて、図１０に示す検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲが設定されたとき、実施の形態３の制御部１８は、磁性金属に対しては距離ｄがより広い範囲にある対象物Ｔを検知するのに対し、非磁性金属に対しては距離ｄがより狭い範囲にある対象物Ｔを検知する。したがって、図１０に示す検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲが設定された検知マップを有する材質測距センサ３は、磁性金属の対象物Ｔに対する距離ｄについては、より高い感度で検知し、非磁性金属の対象物Ｔに対する距離ｄについては、比較的に低い感度で検知する測距センサとして利用することができる。
【００５６】
上記説明したように、実施の形態３に係る材質測距センサ３は、検知マップ上の検知領域ＤＲと非検知領域ＮＲを任意に設定できる入力手段３０を有するので、特定の構成材料からなる金属対象物Ｔに限定して検知する近接センサ（または材質センサ）、または構成材料に応じて異なる精度で対象物Ｔまでの距離ｄを検知する測距センサとして利用することができる。このように実施の形態３に係る材質測距センサ３は、用途に応じてユーザにより感度特性を任意に設定できる、極めて汎用性が高いセンサとして利用することができる。
【００５７】
なお、実施の形態３の入力手段３０は、検知マップ上の検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲを、ユーザ側で任意に設定できるものとして説明したが、メーカ側で設定できるものであってもよい。
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。
【００５８】
実施の形態４．
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。
【００５９】
図１１は、実施の形態４に係る材質測距センサ４の概略的な電気的構成を示す、図１と同様の回路ブロック図である。図１１に示す材質測距センサ４は、制御部１８と、１次成分抽出手段（またはｎ次成分抽出手段）２４とに電気的に接続された電力量算出手段３２を有する。この電力量算出手段３２は、制御部１８で算出された負荷抵抗Ｒと、１次成分抽出手段２４で抽出された駆動電流Ｉとに基づいて、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（すなわち対象物Ｔの発熱量）を算出するものである。
【００６０】
上述のように、負荷抵抗Ｒは、金属対象物Ｔが無限遠に配置されているときの検知コイル１０自体の線抵抗ＲＣに、金属対象物Ｔが近接配置されたことによる金属対象物Ｔの見かけ上の負荷抵抗ＲＬを加えたものに相当する（Ｒ＝ＲＣ＋ＲＬ）。
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。
【数８】
ここで、Ｉ１＊はＩ１の共役複素数を示す。また検知コイル１０が電磁誘導により対象物Ｔに与えた電力量Ｑは、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を所定期間積分したものである。したがって、実施の形態４の電力量算出手段３２は、制御部１８で算出された負荷抵抗Ｒ（金属対象物Ｔの見かけ上の負荷抵抗ＲＬ）と、１次成分抽出手段２４（またはｎ次成分抽出手段）で抽出された駆動電流Ｉとに基づいて、［数８］より検知コイル１０が電磁誘導により対象物Ｔに与えた電力量Ｑ（電力Ｗ）、すなわち対象物Ｔの発熱量を算出することができる。
【００６１】
そして実施の形態４に係る制御部１８は、算出された電力量Ｑが所定の閾値電力量Ｑｔｈを越えたとき（Ｑ＞Ｑｔｈ）、対象物Ｔに過剰な電力量Ｑが供給されたと判断して、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ように駆動部１６を制御するものである。
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。
【００６２】
金属対象物Ｔの見かけ上の負荷抵抗ＲＬは、一般に、金属対象物Ｔの温度とともに増大する傾向があり、対象物Ｔが過熱されると、負荷抵抗Ｒの算出、ひいては対象物Ｔの構成金属および対象物Ｔまでの距離（Ｍ，ｄ）にも影響を与え得る。しかしながら、実施の形態４によれば、上述のように、対象物Ｔが過熱されることを防止して、高い精度を維持しつつ、対象物Ｔの構成材質または対象物Ｔまでの距離、あるいは両方を検知することができる。
【００６３】
なお、制御部１８は、算出された対象物Ｔの発熱量（電力量Ｑ）が閾値電力量Ｑｔｈを越えたと判断した後、算出された対象物Ｔまでの距離ｄが再び無限遠になった（または所定の距離以上離れた）ことを検知したとき、別の対象物Ｔについて構成材質または距離（Ｍ，ｄ）を測定するために、それまで行っていた発熱量（電力量Ｑ）の演算をリセットすることが好ましい。
【符号の説明】
【００６４】
１〜４：材質測距センサ、１０：検知コイル、１２：共振コンデンサ、１４：ＬＣＲ共振回路部、１６：駆動部、１８：制御部、２０：駆動電圧検出手段、２２：駆動電流検出手段、２４：１次成分抽出手段（ｎ次成分抽出手段）、２６：メモリ（記憶部）、２８：コンデンサ電圧検出手段、３０：入力手段、３２：電力量算出手段、Ｔ：対象物。
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、対象物を構成する金属および対象物までの距離のうちの少なくとも一方（すなわち対象物の構成金属と対象物までの距離の両方またはいずれか一方）を検知するセンサおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属からなる対象物までの距離を検知する測距センサとして、検知コイルと共振用のコイルを用いて、金属対象物までの距離に応じて変化するインダクタンスを検知することにより距離を計測するものが提案されていた。
【０００３】
また特許文献１は、対象物までの距離を検知することを主たる目的とするセンサ（測距センサ）ではないが、近接する対象物が磁性または非磁性（鉄またはアルミニウム）であるかによらず同一の感度特性で検知し、あるいは磁性または非磁性の一方に対してより高い感度特性で検知する高周波発振型近接スイッチを記載している。すなわち特許文献１に記載の高周波発振型近接スイッチは、対象物を構成する金属の如何を判定する材質センサとして機能するものである。
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。
【０００４】
一方、特許文献２は、同様に主たる目的を距離測定とするもの（測距センサ）ではないが、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近接センサ（材質センサ）を教示している。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０２−３１２３１６号公報
【特許文献２】特開昭６３−３１６５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の高周波発振型近接スイッチによれば、近接対象物が鉄またはアルミニウムであるか否かを判別するためには、上述のように、各共振タンク回路の共振周波数を事前に設定しておくことが必要であり、一旦設定した後には、判別したい近接対象物の磁性特性を変更するには、各共振タンク回路の共振周波数の再設定が必要であり、容易でない。
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）。
【０００７】
また特許文献２に記載の近接センサは、位相差の正負に基づいて、被検知物体が単に良導電体または磁性体であるかを検知するものであり、被検知物体を構成する材質についてまで検知することはできない。すなわち特許文献２に記載の近接センサは、特許文献１に記載の高周波発振型近接スイッチと同様、所定の位置に近接した被検知物体が良導電体であるか否かについて検知するものであり、被検知物体までの距離を正確に検知することはできない。
【０００８】
したがって、対象物を構成する金属を検知するとともに、検知コイルから対象物までの距離を正確に検知するセンサの実現が望まれていた。また、こうした構成金属および対象物までの距離を瞬時に検知することができるセンサや、所望の金属材質からなる対象物を選択的に検知できる汎用性の高いセンサが期待されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで本願発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、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ものである。
【発明の効果】
【００１０】
本願発明に係る材質測距センサ（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センサ）によれば、ｎ次成分抽出手段を用いて検知コイルの共振周波数および負荷抵抗を瞬時に算出することにより、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を極めて短時間で検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本願発明の実施の形態１に係る材質測距センサの概略的な電気的構成を示す回路ブロック図である。
【図２】駆動電圧検出手段および駆動電流検出手段により検出された駆動電圧および駆動電流の波形図である。
【図３】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示すものである。
【図４】実施の形態１の変形例１に係る検知マップを示すものである。
【図５】実施の形態１の変形例２に係る検知マップを示すものである。
【図６】無限遠ポイントから対象物までの仮想的距離と、検知コイルから対象物までの実際の距離との関係を示すグラフである。
【図７】実施の形態２に係る材質測距センサの概略的な電気的構成を示す回路ブロック図である。
【図８】実施の形態３に係る材質測距センサの概略的な電気的構成を示す回路ブロック図である。
【図９】実施の形態３に係る材質測距センサが用いる検知マップを示すものである。
【図１０】実施の形態３に係る材質測距センサが用いる別の検知マップを示すものである。
【図１１】実施の形態４に係る材質測距センサの概略的な電気的構成を示す回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本願発明に係るセンサの実施の形態を説明する。本願発明に係るセンサは、対象物を構成する金属材質を特定するとともに、対象物までの距離を検知するものであり、この文脈において、以下単に「材質測距センサ」という。各実施の形態の説明および以下の添付図面において、同様の構成部品については同様の符号を用いて参照する。
【００１３】
実施の形態１．
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。
【００１４】
駆動部１６は、ＬＣＲ共振回路部１４に高周波電流を供給するものであれば任意の構成を有していてもよい。たとえば詳細図示しないが、商用電源を全波整流または半波整流する整流回路、これに並列に接続された平滑コンデンサ、およびＩＧＢＴなどのスイッチング素子を含むハーフブリッジ式またはフルブリッジ式のインバータ回路を用いて構成することができる。択一的には、スイッチング素子の代わりにオペアンプやトランジスタなどで駆動しても構わない。また整流回路の代わりに、乾電池等の携帯可能な蓄電池を用いてもよい。
【００１５】
検知コイル１０に高周波電流が供給されると、その周囲に交流磁場を形成し（交流磁場が金属対象物Ｔと鎖交し）、金属対象物Ｔに渦電流が流れる。このとき、検知コイル１０の負荷抵抗Ｒは、金属対象物Ｔが無限遠に配置されているときの検知コイル１０自体の線抵抗ＲＣに、金属対象物Ｔが近接配置されたことによる金属対象物Ｔの見かけ上の負荷抵抗ＲＬを加えたものに相当する（Ｒ＝ＲＣ＋ＲＬ）。
【００１６】
また材質測距センサ１は、ＬＣＲ共振回路部１４の両端に印加される駆動電圧Ｖを検出する駆動電圧検出手段２０と、ＬＣＲ共振回路部１４に流れる駆動電流Ｉを検出する駆動電流検出手段２２と、駆動電圧検出手段２０および駆動電流検出手段２２に電気的に接続された１次成分抽出手段２４とを有する。
【００１７】
駆動電圧検出手段２０は、ＬＣＲ共振回路部１４の両端に印加される駆動電圧（駆動部１６の出力電圧）Ｖを検出するものであれば任意の回路構成を有していてもよい。
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。
【００１８】
制御部１８は、駆動部１６を構成するインバータ回路のＩＧＢＴなどのスイッチング素子に所定の駆動周波数（たとえば１０ｋＨｚ）でスイッチングする制御信号（ゲート信号）を供給するものであり、オペアンプやトランジスタに駆動周波数の信号を供給するものである。このとき駆動部１６は、ＬＣＲ共振回路部１４に高周波電流を供給し、駆動電圧検出手段２０および駆動電流検出手段２２は、図２に示すような高周波変調された駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉを検出する。なお、制御部１８が駆動部１６のスイッチング素子に供給する制御信号は、正弦波、矩形波、または三角波等の任意の波形を有するものであってもよい。
【００１９】
一般に、高周波変調された駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉは、駆動周波数の自然数倍の高次周波数成分を含む合成波形として表される。また駆動周波数がたとえば１０ｋＨｚであるとき、検出される駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉ（図２）の１周期は０．１ｍ秒に相当する。
【００２０】
本願発明に係る１次成分抽出手段２４は、駆動電圧検出手段２０および駆動電流検出手段２２で検出された駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉ（図２）を、より高いサンプリング周波数で離散フーリエ変換することにより、駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉの１次成分だけを抽出するものである。より具体的には、１次成分抽出手段２４は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）を有し、図２に示すようなアナログ信号として検出された駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉを、たとえば駆動周波数のｋ倍（ｋは２以上の自然数）のサンプリング周波数でサンプリングしてデジタル信号に変換し、サンプリングされた複数の高次周波数成分を有する信号から１次成分のみの信号を抽出するものである。なお高次周波数成分を有する信号から１次成分のみの信号を抽出する手法およびアルゴリズムとしては、任意のものを利用することができ、一般に市販されたソフトウェアを用いて駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉの１次成分だけを抽出することができる。
【００２１】
択一的には、１次成分抽出手段２４の代わりに、Ａ／Ｄ変換器でサンプリングされた複数の高次周波数成分を有する信号から、駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉのより高次のｎ次成分（ｎは２以上の自然数、たとえば３次成分）を抽出するｎ次成分抽出手段を用いてもよい。すなわちｎ次成分抽出手段は、１次成分抽出手段２４と互いに置換可能であるから、以下においては１次成分抽出手段２４を用いて本願発明を説明する。
【００２２】
１次成分抽出手段２４で抽出される駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉの１次成分は、次式のように複素表示することができる。
【数１】
ここで、Ｖ１，Ｉ１は駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉの１次成分を示し、Ｖ１Re，Ｉ１ReはＶ１，Ｉ１の実部、Ｖ１Im，Ｉ１ImはＶ１，Ｉ１の虚部、そしてｊは虚数単位を示す。
【００２３】
このとき、ＬＣＲ共振回路部１４のインピーダンスＺは次式で表される。
【数２】
ここで、ＺＲｅおよびＺＩｍはインピーダンスＺの実部および虚部を示す。
【００２４】
一方、ＬＣＲ共振回路部１４のインピーダンスＺは、一般に、上記の検知コイル１０のインダクタンスＬおよび負荷抵抗Ｒ、ならびに共振コンデンサ１２の静電容量Ｃを用いて、次式で表される。
【数３】
ここで、ωはｆ／２πで表される角速度である（ｆは駆動周波数と同じ）。
【００２５】
すなわち、上記［数２］と［数３］を比較すると、次式が成立する。
【数４】
このとき、ωは１次成分の周波数ｆ（すなわち駆動周波数と同一）を用いて表され（ω＝２πｆ）、Ｃは共振コンデンサ１２の静電容量であり、ともに既知の値である。
【００２６】
また、ＬＣＲ共振回路部１４の共振周波数Ｆｒは、一般に、検知コイル１０のインダクタンスＬおよび共振コンデンサ１２の静電容量Ｃを用いて、次式で表される。
【数５】
【００２７】
したがって本願発明に係る制御部１８は、駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉの１次成分から、［数３］よりインピーダンスＺの実部および虚部を求め、［数４］よりＬＣＲ共振回路部１４の負荷抵抗ＲおよびインダクタンスＬを算出して、さらに算出されたインダクタンスＬから、［数５］よりＬＣＲ共振回路部１４の共振周波数Ｆｒを算出することができる。
【００２８】
ここで本願発明に係る材質測距センサ１を用いて、さまざまな既知の金属で構成された対象物Ｔについて、検知コイル１０から対象物Ｔまでの距離を変化させて、ＬＣＲ共振回路部１４の共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒをあらかじめ算出し、共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒの関係を示す検知マップ（図３）を作成し、メモリ（記憶部）２６に当該検知マップを記憶させる。
【００２９】
図３において、材質測距センサ１は、たとえば鉄からなる対象物Ｔが検知コイル１０に最接近したとき（対象物Ｔと検知コイル１０との間の距離ｄが実質的にゼロであるとき（ｄ＝０））、一重丸（○）でプロットされた共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒを検知し、対象物Ｔが検知コイル１０から無限遠の位置に配置されたとき（ｄが無限遠）、二重丸（◎）でプロットされた共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒを検知する。なお、負荷抵抗値Ｒがゼロとならないのは、負荷抵抗Ｒが検知コイル１０自体の線抵抗ＲＣを含むためである。
【００３０】
また対象物Ｔと検知コイル１０との間の距離ｄを増大させたとき、共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒの値は、一重丸でプロットされたポイントから、二重丸でプロットされたポイントに向かって推移する。そして本願発明に係る材質測距センサ１を用いて、距離ｄを変化させたときの共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒを事前に算出し、これらの値を距離ｄに関連付けてメモリ２６に記憶しておく。
【００３１】
同様に、本願発明に係る材質測距センサ１を用いて、対象物Ｔが磁性ステンレス（□）、非磁性ステンレス（△）、アルミニウム（×）、銅（☆）、およびこれらを任意に組み合わせたさまざまな合金（図示せず）である場合について、数多くの既知の距離ｄに対する共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒの値を事前に算出し、同様に距離ｄの関数としてメモリに記憶しておく。すなわち本願発明に係る材質測距センサ１は、複数の既知の金属材質Ｍおよび検知コイル１０から対象物Ｔまでの複数の既知の距離ｄについて事前に検知した共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒの関係を示す検知マップを記憶するメモリ（記憶部）２６を有するものである。
【００３２】
そして本願発明に係る材質測距センサ１によれば、実際に、対象物Ｔの構成金属および対象物までの距離を検知するとき、制御部１８は、上述のように共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒを算出し、これをメモリ２６に記憶された共振周波数および負荷抵抗と比較することにより、対象物の構成金属Ｍおよび検知コイルから対象物までの距離ｄを検知することができる。
【００３３】
より具体的には、検知マップ上の共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒの複数の（細分化された）ポイントに関する行列｛Ｆｒｉｊ，Ｒｉｊ｝について、事前に検知された対象物Ｔの構成金属および対象物までの距離に関する行列｛Ｍｉｊ，ｄｉｊ｝をメモリ２６に記憶しておく。すなわちメモリ２６は、検知マップ上の共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒのポイントに関する行列｛Ｆｒｉｊ，Ｒｉｊ｝により一意的に決定される対象物Ｔの構成金属および対象物までの距離に関する行列｛Ｍｉｊ，ｄｉｊ｝を記憶するものである。こうして材質測距センサ１は、実際の対象物Ｔについて検知された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）を算出し、メモリ２６に記憶された検知マップを参照することにより、対応する金属材質と距離（Ｍ，ｄ）を直ちに検知することができる。
【００３４】
なお、算出される共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）は、検知コイル１０に対向する対象物Ｔの大きさ（面積）にも影響されるので、本願発明に係る材質測距センサ１は、対象物Ｔより十分に小さい検知コイル１０を有するものとして構成するか、あるいは検知コイル１０が対象物Ｔより小さいときには、その小さい既知の対象物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）に対応する金属材質と距離（Ｍ，ｄ）をメモリ２６に記憶させておくことが好ましい。
【００３５】
変形例１．
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。
【００３６】
また金属材質Ｍに関しては、曲線Ｃ０上の複数のポイントに対応するもののみ、メモリ２６に記憶しておく。そして算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）は、上記二重丸で示す無限遠ポイントから直線的に推移すると仮定し、実際に算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）のポイント（星印）と上記二重丸で示す無限遠ポイントとを結ぶ直線（長い破線で示す）と、距離ｄが０ｍｍとなるポイントを結ぶ曲線Ｃ０との交点を求め、この交点における共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）に対応する金属材質Ｍをメモリ２６から読み出すことにより、対象物Ｔの構成金属Ｍを簡便に推知することができる。
【００３７】
このように変形例１に係る材質測距センサ１によれば、対象物までの距離ｄが所定の距離となるポイントを結ぶ曲線Ｃｉに関する情報と、曲線Ｃ０上の複数のポイントに対応する金属材質Ｍに関する情報とを記憶することにより、実際の対象物Ｔについて算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）に基づいて、対応する金属材質と距離（Ｍ，ｄ）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。
【００３８】
変形例２．
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。
【数６】
【００３９】
図６は、検知マップ上の無限遠ポイント（Ｆｒ０，Ｒ０）から対象物Ｔまでの仮想的距離ｈと、検知コイル１０から対象物Ｔまでの実際の距離ｄとの関係を示すグラフである。図６に示すように、仮想的距離ｈは、対象物Ｔから検知コイル１０までの実際の距離ｄが実質的にゼロとなったとき、共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）は最大となり、対象物Ｔが検知コイル１０から遠ざかるにつれて（すなわち実際の距離ｄが大きくなるにつれて）、共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）は無限遠ポイント（Ｆｒ０，Ｒ０）に向かって小さくなり、仮想的距離ｈも小さくなる。換言すると、仮想的距離ｈが小さくなるほど、対象物Ｔまでの実際の距離ｄは指数関数的に（または非線形的に）増大する。
【００４０】
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）が図５の検知マップ上の星印で示すポイントでプロットされるとき、仮想的距離ｈに対応する実際の距離ｄを図６のグラフから読み取ることができる。また図６のグラフを規定する試行関数を事前に定義してメモリ２６に記憶しておくことにより、算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）から直ちに実際の距離ｄを算出することができる。
【００４１】
また金属材質Ｍに関しては、変形例１と同様、曲線Ｃ０上の複数のポイントに対応する金属材質Ｍのみをメモリ２６に記憶しておき、実際に算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）のポイント（星印）と上記二重丸で示す無限遠ポイントとを結ぶ直線（長い破線で示す）と、距離ｄが０ｍｍとなるポイントを結ぶ曲線Ｃ０との交点を求め、この交点における金属材質Ｍをメモリ２６から読み出すことにより、対象物Ｔの構成金属Ｍを推知することができる。
【００４２】
このように変形例２によれば、図６のグラフに示す試行関数を表す情報と、曲線Ｃ０上の複数のポイントに対応する金属材質Ｍに関する情報とを記憶することにより、算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）に対応する距離ｄを事前に検知して記憶するまでもなく、算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）から構成金属と距離（Ｍ，ｄ）を極めて簡便な手法で推知することができる。よって、変形例２に係る材質測距センサ１によれば、変形例１に比して、既知の対象物Ｔについて事前に算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）に対応する距離ｄをあらかじめ記憶しておく必要がなく、よりいっそう小さい容量を有するメモリ２６を用いて、製造コストをさらに削減することができる。
【００４３】
以上のように本願発明に係る材質測距センサ１は、１次成分抽出手段２４（またはｎ次成分抽出手段）を用いて、瞬時に（駆動周波数が１０ｋＨｚのとき０．１ｍ秒で）ＬＣＲ共振回路部１４の駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉを抽出し、抽出された駆動電圧Ｖおよび駆動電流Ｉに基づいてＬＣＲ共振回路部１４の共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）を算出する。そして本願発明に係る材質測距センサ１は、算出された共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）を、メモリ２６に記憶された構成金属と距離（Ｍ，ｄ）を関連付けた事前検知の共振周波数と負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）と比較することにより、対象物Ｔの構成金属と距離（Ｍ，ｄ）を極めて迅速に検知することができる。
【００４４】
なお、本願発明に係る材質測距センサ１は、上述のように、対象物Ｔの構成金属および距離（Ｍ，ｄ）の両方を検知することができるが、単に対象物Ｔまでの距離（ｄ）のみを検知する測距センサとしても利用することができ、あるいは対象物Ｔの構成金属（Ｍ）を専ら検知する近接センサまたは材質センサとして活用することができる。
【００４５】
実施の形態２．
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。
【００４６】
図７は、実施の形態２に係る材質測距センサ２の概略的な電気的構成を示す、図１と同様の回路ブロック図である。実施の形態１に係る材質測距センサ１は、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等で構成された駆動電流検出手段２２を用いて、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った。しかしながら、こうしたカレントトランスは高価であり、シャント抵抗は抵抗値が低いものの大電流が流れると発熱して相当の電力損失が生じる。そこで実施の形態２に係る材質測距センサ２によれば、図７に示すように、コンデンサ電圧検出手段２８を用いて、共振コンデンサ１２の両端のコンデンサ電圧ＶＣを検出し、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。
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。
【００４７】
より具体的に説明すると、コンデンサ電圧ＶＣは、駆動電圧検出手段２０が検出する駆動電圧Ｖと同様、駆動周波数の自然数倍の高次周波数成分を含み、１次成分抽出手段２４を用いて離散フーリエ変換することにより、コンデンサ電圧ＶＣの１次成分ＶＣ１（駆動周波数と同一の周波数を有する成分）のみを抽出し、複素表示することができる。そしてコンデンサ電圧ＶＣの１次成分ＶＣ１と駆動電流Ｉ１とは、次の関係式を満たす。
【数７】
ここでωはｆ／２πで表される角速度である（ｆは駆動周波数と同じ）、Ｃは共振コンデンサ１２の静電容量であり、ともに既知の値である。
【００４８】
こうして、実施の形態２に係る材質測距センサ２は、コンデンサ電圧検出手段２８を用いてコンデンサ電圧ＶＣを検出し、１次成分抽出手段２４を用いてコンデンサ電圧ＶＣの１次成分ＶＣ１を抽出し、制御部１８により［数７］を求めることにより、実施の形態１に係る材質測距センサ１と同様、ＬＣＲ共振回路部１４の駆動電流Ｉ１を算出することができる。すなわち、実施の形態２に係る材質測距センサ２は、高価なカレントトランスや、電力損失が大きいシャント抵抗を用いることなく、安価で、かつ信頼性の高い駆動電流検出手段２２を用いて、駆動電流Ｉ１を算出することができる。
【００４９】
実施の形態２に係る材質測距センサ２は、ＬＣＲ共振回路部１４の駆動電流Ｉ１および駆動電圧Ｖを求めた後は、実施の形態１と同様に、ＬＣＲ共振回路部１４の負荷抵抗Ｒおよび共振周波数Ｆｒを算出し、メモリ２６に記憶された検知マップを参照することにより、対象物Ｔを構成する金属および対象物Ｔまでの距離（Ｍ，ｄ）を極めて迅速に検知することができる。
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。
【００５０】
なお、コンデンサ電圧ＶＣは、特に共振点近くにおいて高くなるので、駆動電圧検出手段２０で用いられる共振コンデンサ１２は、耐圧の高いものを利用することが好ましい。あるいはコンデンサ電圧ＶＣが極めて高い場合には、コンデンサ電圧検出手段２８は、これを分圧して、分圧されたコンデンサ電圧を検出してもよい。
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。
【００５１】
実施の形態３．
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。
【００５２】
図８は、実施の形態３に係る材質測距センサ３の概略的な電気的構成を示す、図１と同様の回路ブロック図である。図９および図１０は、実施の形態３に係るメモリ２６に事前に記憶された共振周波数および負荷抵抗（Ｆｒ，Ｒ）に関する検知マップである。
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。
【００５３】
たとえばユーザが入力手段３０を用いて、メモリ２６に記憶された検知マップにおいて、図９に示すような検知閾値ライン（図９の一点鎖線で示す）により検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲを画定してもよい。なお入力手段３０は、当業者により広く知られた任意の入力装置を用いることができ、たとえば手書き入力を可能とするグラフィックデバイスインターフェイス（ＧＤＩ）を有するタッチパネルであってもよいし、単に数値閾値を入力するテンキーであってもよい。
【００５４】
入力手段３０を用いて、図９に示す検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲが設定されたとき、実施の形態３の制御部１８は、対象物Ｔが磁性ステンレスおよび鉄等の磁性金属で構成される場合には、算出される共振周波数Ｆｒおよび負荷抵抗Ｒが非検知領域ＮＲに属するので対象物Ｔを検知しない。他方、制御部１８は、対象物Ｔが非磁性ステンレス、アルミニウム、および銅またはこれらの合金等の非磁性金属で構成される場合には、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に含まれるので、これらの特定の材質からなる対象物Ｔに限定して、対象物Ｔまでの距離ｄを検知する。したがって、図９に示す検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲが設定された検知マップを有する材質測距センサ３は、専ら特定の非磁性金属（Ｍ）で構成された対象物Ｔまでの距離ｄを検知する近接センサまたは材質センサとして利用することができる。
【００５５】
同様に、入力手段３０を用いて、図１０に示す検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲが設定されたとき、実施の形態３の制御部１８は、磁性金属に対しては距離ｄがより広い範囲にある対象物Ｔを検知するのに対し、非磁性金属に対しては距離ｄがより狭い範囲にある対象物Ｔを検知する。したがって、図１０に示す検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲが設定された検知マップを有する材質測距センサ３は、磁性金属の対象物Ｔに対する距離ｄについては、より高い感度で検知し、非磁性金属の対象物Ｔに対する距離ｄについては、比較的に低い感度で検知する測距センサとして利用することができる。
【００５６】
上記説明したように、実施の形態３に係る材質測距センサ３は、検知マップ上の検知領域ＤＲと非検知領域ＮＲを任意に設定できる入力手段３０を有するので、特定の構成材料からなる金属対象物Ｔに限定して検知する近接センサ（または材質センサ）、または構成材料に応じて異なる精度で対象物Ｔまでの距離ｄを検知する測距センサとして利用することができる。このように実施の形態３に係る材質測距センサ３は、用途に応じてユーザにより感度特性を任意に設定できる、極めて汎用性が高いセンサとして利用することができる。
【００５７】
なお、実施の形態３の入力手段３０は、検知マップ上の検知領域ＤＲおよび非検知領域ＮＲを、ユーザ側で任意に設定できるものとして説明したが、メーカ側で設定できるものであってもよい。
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。
【００５８】
実施の形態４．
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。
【００５９】
図１１は、実施の形態４に係る材質測距センサ４の概略的な電気的構成を示す、図１と同様の回路ブロック図である。図１１に示す材質測距センサ４は、制御部１８と、１次成分抽出手段（またはｎ次成分抽出手段）２４とに電気的に接続された電力量算出手段３２を有する。この電力量算出手段３２は、制御部１８で算出された負荷抵抗Ｒと、１次成分抽出手段２４で抽出された駆動電流Ｉとに基づいて、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（すなわち対象物Ｔの発熱量）を算出するものである。
【００６０】
上述のように、負荷抵抗Ｒは、金属対象物Ｔが無限遠に配置されているときの検知コイル１０自体の線抵抗ＲＣに、金属対象物Ｔが近接配置されたことによる金属対象物Ｔの見かけ上の負荷抵抗ＲＬを加えたものに相当する（Ｒ＝ＲＣ＋ＲＬ）。
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。
【数８】
ここで、Ｉ１＊はＩ１の共役複素数を示す。また検知コイル１０が電磁誘導により対象物Ｔに与えた電力量Ｑは、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を所定期間積分したものである。したがって、実施の形態４の電力量算出手段３２は、制御部１８で算出された負荷抵抗Ｒ（金属対象物Ｔの見かけ上の負荷抵抗ＲＬ）と、１次成分抽出手段２４（またはｎ次成分抽出手段）で抽出された駆動電流Ｉとに基づいて、［数８］より検知コイル１０が電磁誘導により対象物Ｔに与えた電力量Ｑ（電力Ｗ）、すなわち対象物Ｔの発熱量を算出することができる。
【００６１】
そして実施の形態４に係る制御部１８は、算出された電力量Ｑが所定の閾値電力量Ｑｔｈを越えたとき（Ｑ＞Ｑｔｈ）、対象物Ｔに過剰な電力量Ｑが供給されたと判断して、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ように駆動部１６を制御するものである。
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。
【００６２】
金属対象物Ｔの見かけ上の負荷抵抗ＲＬは、一般に、金属対象物Ｔの温度とともに増大する傾向があり、対象物Ｔが過熱されると、負荷抵抗Ｒの算出、ひいては対象物Ｔの構成金属および対象物Ｔまでの距離（Ｍ，ｄ）にも影響を与え得る。しかしながら、実施の形態４によれば、上述のように、対象物Ｔが過熱されることを防止して、高い精度を維持しつつ、対象物Ｔの構成材質または対象物Ｔまでの距離、あるいは両方を検知することができる。
【００６３】
なお、制御部１８は、算出された対象物Ｔの発熱量（電力量Ｑ）が閾値電力量Ｑｔｈを越えたと判断した後、算出された対象物Ｔまでの距離ｄが再び無限遠になった（または所定の距離以上離れた）ことを検知したとき、別の対象物Ｔについて構成材質または距離（Ｍ，ｄ）を測定するために、それまで行っていた発熱量（電力量Ｑ）の演算をリセットすることが好ましい。
【符号の説明】
【００６４】
１〜４：材質測距センサ、１０：検知コイル、１２：共振コンデンサ、１４：ＬＣＲ共振回路部、１６：駆動部、１８：制御部、２０：駆動電圧検出手段、２２：駆動電流検出手段、２４：１次成分抽出手段（ｎ次成分抽出手段）、２６：メモリ（記憶部）、２８：コンデンサ電圧検出手段、３０：入力手段、３２：電力量算出手段、Ｔ：対象物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１１２７５１（Ｐ２０１２−１１２７５１Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６０９８９（Ｐ２０１０−２６０９８９）
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（０００１７６８６６）三菱電機ホーム機器株式会社 (1,201)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（０００１７６８６６）三菱電機ホーム機器株式会社 (1,201)
【Ｆターム（参考）】
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