近接センサ
【課題】検出面の肉厚を厚くし、かつ、鉄などの磁性金属により構成される取付金属に埋込んで設置しても検出感度の低下を防ぐことが可能な近接センサを提供する。
【解決手段】検出コイル６から側面部２４への磁束ＦＬ１は取付金属の方向に誘導され、磁束ＦＬ１の一部が磁束ＦＬ３として取付金属５１に達する。また、側面部２４では磁束ＦＬ１により渦電流が生じ、その渦電流によって検出コイル６の方向に磁束ＦＬ２が発生するとともに、取付金属５１に向けて磁束ＦＬ４が発生する。磁束ＦＬ２，ＦＬ４によって取付金属５１では渦電流による損失が発生する。側面部２４では磁束が通過しやすくなっているので側面部２４での渦電流による損失は減少するものの取付金属５１では損失が増加する。発振周波数ωを調整することで漏洩磁束による損失を取付金属５１の有無に拘らず変化しないように調整することができる。
【解決手段】検出コイル６から側面部２４への磁束ＦＬ１は取付金属の方向に誘導され、磁束ＦＬ１の一部が磁束ＦＬ３として取付金属５１に達する。また、側面部２４では磁束ＦＬ１により渦電流が生じ、その渦電流によって検出コイル６の方向に磁束ＦＬ２が発生するとともに、取付金属５１に向けて磁束ＦＬ４が発生する。磁束ＦＬ２，ＦＬ４によって取付金属５１では渦電流による損失が発生する。側面部２４では磁束が通過しやすくなっているので側面部２４での渦電流による損失は減少するものの取付金属５１では損失が増加する。発振周波数ωを調整することで漏洩磁束による損失を取付金属５１の有無に拘らず変化しないように調整することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属からなる被検出物の接近による磁界の損失を検出することによって、被検出物の接近を判別する近接センサに関する。特に、本発明はセンサを取付ける周囲金属体の影響による検出距離の変動を低減した近接センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近接センサ（または近接スイッチ）とは、検出対象の物体の移動や存在を検出して検出結果を電気信号として出力するセンサの総称である。近接センサの検出方式は各種あるが、たとえば電磁誘導によって金属の被検出物体に発生する渦電流を利用する方式がある。
【０００３】
電磁誘導を利用した近接センサは、一般的にコイルを有する高周波発振回路を備えている。このような近接センサでは、被検出物体がない時に発振状態であり、被検出物体の到来に応じてコンダクタンスが増加して発振が弱まる（または停止する）方式と、被検出物体がない時に発振停止状態であり、被検出物体の到来に応じてコンダクタンスが低下して発振が開始する方式とが存在し、後段の回路処理により被検出物体の有無に応じたコンダクタンス変化を振幅（または周波数）検出して被検出物体の到来を検出することが可能になる。
【０００４】
従来、近接センサのケースの検出面および側面は、ＳＵＳ（Stainless Used Steel）材料の金属により構成されている。ＳＵＳは非磁性体であり、かつ、その導電率が低いため、発振回路の発振周波数を比較的低く設定することにより、検出面を磁束が通過することができる。よって近接センサは検出面の前方に存在する被検出物体（金属のワーク）を検出することができる。
【０００５】
ケースの外径、すなわち検出面の直径によって、検出感度を最大にする（すなわち検出距離を長くする）発振周波数が異なる。検出面の直径が小さいほど高い発振周波数で検出感度が最大となり、逆に検出面の直径が大きいほど低い発振周波数で検出感度が最大となる。
【０００６】
また、近接センサのケース強度を向上させるために検出面の肉厚を厚くすると、検出感度の低下、すなわち検出距離の低下が生じる。その理由は検出面の肉厚を厚くすることにより、磁束がケースの検出面を通過しにくくなるためである。
【０００７】
図２０は、近接センサの設置状態の一例を示す図である。
図２０を参照して、近接センサ１０１の側面にはねじ山が設けられる。近接センサ１０１は、ねじ締めによって取付金属１５１に埋設した状態で取付けられる。また、検出面１２１と取付金属１５１の主表面とが同一平面になるように近接センサ１０１が取付けられる。多くの場合、取付金属１５１の材質としては強度やコストの点で鉄が採用されるのが一般的である。
【０００８】
図２１は、近接センサの設置状態の別の例を示す図である。
図２１を参照して、検出面１２１が取付金属１５１の一方の主表面から突出している点で図２０と異なっている。取付金属１５１より突出した部分に六角ナット１５２を取付けることで近接センサ１０１は固定される。
【０００９】
図２２は、近接センサの設置状態のさらに別の例を示す図である。
図２２を参照して、図２０と同様に、検出面１２１は取付金属１５１の一方の主表面と同一になるように近接センサ１０１が設けられる。ただし図２２では、取付金属１５１に対して検出面１２１と反対側に近接センサ１０１を固定するための六角ナット１５２が設けられる。
【００１０】
図２３は、近接センサの設置状態のさらに別の例を示す図である。
図２３を参照して、取付金属１５１の厚みは図２２に示す取付金属１５１よりもさらに薄い。取付金属１５１を挟んで設けられる六角ナット１５２，１５３によって近接センサ１０１は固定される。
【００１１】
上述のように、比較的低い発振周波数を選択することによって、非磁性体の金属からなる検出面を磁束が通過しやすくなる。つまりＳＵＳ材により構成されるケースは磁束を遮蔽する効果が弱い。このためケース側面から外に漏洩磁束が発生する。この漏洩磁束が取付金属に磁性作用を与えることで、近接センサの検出距離が変化するという現象が発生する。
【００１２】
検出距離に与える影響の大小は取付金属の材質により異なる。たとえば取付金属が真鍮やアルミのような非磁性体であり、かつ、導電率の高い材質であれば、検出距離が大きく低下する。
【００１３】
取付金属がアルミや真鍮の場合、漏洩磁束に応じて発生した渦電流により、漏洩磁束に反発する磁束が発生する。この結果、ケース側面を鎖交する磁束が減少するためケース側面での損失が減少する。ケース側面での損失が減少することで検出コイルの損失も減少する。よって発振回路の出力（発振振幅）が大きくなる。この場合、被検出物体が近接センサに十分に接近しないと発振振幅は所定値まで低下しないため検出距離が大きく低下する。
【００１４】
一方、取付金属が鉄等の磁性金属であれば、検出距離の低下を抑えることができる。この場合、漏洩磁束は取付金属の方向に誘導される。ケース側面での損失が減少しても、その損失は取付金属で発生する磁束によって補完されるので発振振幅の変動を抑えることができる。この結果、検出距離の低下を抑えることができる。
【００１５】
しかしながら、被検出物体の材質は鉄であることが多い。よって、取付金属の材質として鉄を用いた場合には、被検出物体が実際に存在しなくても存在するかのようにセンサが反応するという問題が発生する。このような問題を防ぐための従来の方法について図を参照しながら説明する。
【００１６】
図２４は、検出距離の低下を防ぐことを可能にする従来の方法の一例を示す図である。
図２４を参照して、近接センサ１０１の断面を示す。ケース１０２の内部には、検出コイル１０６が巻かれたコア１０８、および、コア１０８を囲む遮蔽板１５４が設けられている。遮蔽板１５４は導電率の高い金属により構成される。遮蔽板１５４により検出コイル１０６からケース１０２への漏洩磁束を防ぐことで、取付金属による検出距離に対する影響を抑えることができ、これにより検出距離の低下を防ぐことができる。
【００１７】
図２５は、検出距離の低下を防ぐことを可能にする従来の方法の別の例を示す図である。
【００１８】
図２５を参照して、ケース１０２の内面には格子状に溝が形成される。これによりケース１０２での渦電流を小さくすることができるので検出距離の低下を防ぐことができる。
【００１９】
図２６は、検出距離の低下を防ぐことが可能な従来の方法のさらに別の例を示す図である。
【００２０】
図２６を参照して、コア１０８の周囲には、たとえばフェライト等の高い透磁率を有し、かつ損失が少ない材料で構成されたリング１５５が設けられる。リング１５５によってコア１０８の側方の磁束がリング１５５に誘導される。これによって取付金属１５１への漏洩磁束を防ぐことができるので検出距離の低下を防ぐことができる。
【００２１】
図２７は、検出距離の低下を防ぐことが可能な従来の方法のさらに別の例を示す図である。
【００２２】
図２７を参照して、コア１０８の側方に補助コイル１５６が設けられる。この補助コイル１５６により発生する逆向きの磁束が検出コイル１０６より発生する漏洩磁束を取付金属からそれた方向に誘導することで検出距離の低下を防ぐことができる。
【００２３】
図２４の技術の採用例として、たとえば特許第３０２３３１１号明細書（特許文献１）はステンレスで形成されたケースと鉄で形成された取付部材とを備える近接センサを開示する。
【００２４】
また、図２７の技術の採用例として、たとえば特許第２６０３６２８号明細書（特許文献２）ではセンサコイルを配備したコアの検出両端部外周に補助コイルを設けた近接センサを開示する。
【特許文献１】特許第３０２３３１１号明細書
【特許文献２】特許第２６０３６２８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
上述のようにケースの検出面の肉厚を厚くすると検出距離が短くなる。つまり検出面の肉厚と検出距離とはトレードオフの関係にある。センサの最大感度付近の発振周波数を選択することによって、ある程度の長さの検出距離を確保できる。しかし、取付金属の材質が鉄の場合にはセンサの感度を高くするほど取付金属の影響が大きくなる。よって、選択する発振周波数によっては検出距離が極端に短くなったりあるいは極端に大きくなったりする。
【００２６】
図２１や図２３に示すように、取付金属から検出面を突出させて近接センサを取付けることで取付金属の影響を低減できる。しかしながら取付金属から検出面を突出させるためにはある程度のスペースを確保する必要がある。さらにスペースを確保できない場合には近接センサを取付けることができなくなる。
【００２７】
また、被検出物体が移動する際に軌道が不安定なため、被検出物体が上下する場合がある。よって近接センサの検出面を取付金属から突出させると、被検出物体が近接センサの検出面に接触したりあるいはケース側面に衝突したりする。これにより近接センサが故障しやすくなる。
【００２８】
また、図２４〜図２７に示す従来技術の場合にはコストの点が問題となる。たとえば図２４，２６，２７に示す従来技術の場合、部品の追加に伴うコスト上昇が生じる。また図２５に示す従来技術の場合には、ケース内面の設計や加工に伴うコスト上昇が生じる。
【００２９】
さらに、図２７に示す従来技術の場合、個体間での調整が困難となる。また、コアの径が小さくなるため検出距離が短くなる。もともと検出面の直径が小さい近接センサにおいては補助コイルを入れること自体がスペースの面で困難となる。
【００３０】
本発明の目的は、検出面の肉厚を厚くし、かつ、鉄などの磁性金属により構成される取付金属に埋込んで設置しても検出感度の低下を防ぐことが可能な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】
【００３１】
本発明は要約すれば、金属により構成される被検出物体の接近を検出する近接センサであって、コイルと、コイルに接続される発振回路と、発振回路の発振動作時におけるコイルのコンダクタンスの変化により、被検出物体がコイルに接近したことを検出する検出回路と、非磁性金属により構成され、少なくともコイルを収納するケースとを備える。発振回路の発振周波数は、ケースの周囲に磁性金属が存在する場合と磁性金属が存在しない場合とで、被検出物体とコイルとの距離の変化に対するコンダクタンスの変化率の差が、所定の範囲に収まるように設定される。
【００３２】
好ましくは、ケースは、被検出物体とコイルとの間に設けられる検出面を含む。検出面は、比透磁率が実質的に１であり、かつ、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上の金属により構成される。
【００３３】
より好ましくは、検出面の材質は、ステンレスである。
さらに好ましくは、ケースは、少なくとも検出面とコイルとを囲んで設けられる側面部をさらに含む。側面部は、比透磁率が実質的に１であり、かつ、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上の金属により構成される。
【００３４】
さらに好ましくは、側面部の材質は、ステンレスである。
好ましくは、コンダクタンスの変化率は、以下の式により表わされる：
（ｇ１１０％−ｇ１００％）／ｇ１００％×１００
ただし、ｇ１００％は、被検出物体と近接センサとの検出距離が所定の距離のときのコンダクタンスの値であり、ｇ１１０％は、検出距離が所定の距離の１．１倍のときのコンダクタンスの値である。
【００３５】
より好ましくは、ｇ１００％の値は、１０マイクロジーメンスと１５０マイクロジーメンスとの間の値である。
【００３６】
さらに好ましくは、ｇ１００％の値は、３０マイクロジーメンスと１００マイクロジーメンスとの間の値である。
【００３７】
より好ましくは、コイルの幅および高さは、コイルの幅に対するコイルの高さの比と、所定の距離との積が所定値以上になるように定められる。
【００３８】
より好ましくは、発振周波数は、上記の式に従うコンダクタンスの変化率の絶対値が最大となるときの周波数よりも低くなるように設定される。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の近接センサによれば、取付金属が鉄などの磁性体の場合にも検出距離を低下させることなく検出面を取付金属の主表面と同一になるように取付けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４１】
図１は、本実施の形態の近接センサの外形図である。
図１を参照して、近接センサ１は本体を収納するケース２と、信号用ケーブル５とを備える。後述するように、ケース２において検出面２１側には検出コイルが収納される。また、ケース２の外周には取付金属への設置のため、ねじ山２３が形成される。信号用ケーブル５は、近接センサ１の検出結果、すなわち電気信号を出力するために設けられる。
【００４２】
図２は、図１の近接センサ１の断面を示す模式図である。なお、断面方向は図１の紙面に平行である。
【００４３】
図２を参照して、ケース２は取付金属５１にねじ締めにより固定される。取付金属５１は鉄等の磁性金属である。ケース２の内部には検出コイル６、コア８、および回路基板１０が設けられる。なお、ケース２の内部に少なくとも検出コイル６が設けられていればよく回路基板１０がケース２の外部に設けられていてもよい。
【００４４】
ケース２は検出コイル６に対向して設けられる検出面２１と、少なくとも検出面２１と検出コイルとを囲むように設けられる側面部２４とを含む。
【００４５】
検出面２１および側面部２４はともに非磁性金属により構成される。検出面２１を非磁性金属でかつ体積抵抗率が大きいものにより構成することで検出コイル６からの磁束が検出面２１を通過しやすくなるので近接センサ１の感度を高くすることができる。また側面部２４を非磁性金属により構成することで、取付金属５１が鉄等の磁性金属の場合に近接センサ１の感度低下を防ぐことができる。
【００４６】
なお、非磁性体は一般的にその比透磁率（同じ磁界強度における物質の透磁率と真空の透磁率の比）μが実質的に１である（たとえばＳＵＳ３０３の比透磁率は約１．０３である）が、体積抵抗率は材質により異なる。本実施の形態では検出面２１に用いられる非磁性金属として体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上であることが好ましい。このような特性を満たす材質としては、たとえばチタンやＳＵＳ３０３等の非磁性ステンレスなどが挙げられる。ただし強度およびコストの点で検出面２１の材質にはステンレスが好ましい。
【００４７】
また、側面部２４に用いられる金属も比透磁率μが実質的に１であり、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上であることが好ましい。つまり、側面部２４の材質は検出面２１の材質と同じであることが好ましい。検出面２１と側面部２４に同じ材料を用いることで検出距離の低下を防ぐことができるとともに、コストを低減することができる。本実施の形態では検出面２１および側面部２４の材質にはＳＵＳ３０３が用いられる。
【００４８】
検出コイル６はコア８に巻回される。コア８はたとえばＥ形のフェライトコアであり、検出コイル６に発生する磁束を前方（検出面２１側）に誘導する。
【００４９】
図３は、図２の回路基板１０の構成を示す図である。
図３を参照して、回路基板１０には、発振回路３１、検出回路３２、および出力回路（ＯＵＴ）３３が搭載される。検出回路３２は検波回路３４と比較回路３５とを含む。
【００５０】
発振回路３１は検出コイル６に接続される。発振回路３１は被検出物体の到来しない状態で発振している。検波回路３４は発振回路３１の発振信号を直流信号に変換する。比較回路３５は検波回路３４が出力する直流信号を予め設定された基準レベルと比較する。
【００５１】
発振回路３１の発振動作時に図２に示す被検出物体Ａが検出面２１（および検出コイル６）に接近すると、検出コイル６が発生する磁束が被検出物体Ａにより生じる渦電流の影響を受ける。このため発振回路３１の発振振幅が小さくなる。よって検波回路３４の出力のレベルが基準レベル以下となる。この状態での比較回路３５の出力信号が出力回路３３を介して外部に出力されることで、被検出物体の接近が検出される。このときの検出面２１と被検出物体Ａとの距離を図２では検出距離Ｄと示す。
【００５２】
なお実際の製品では、検出回路３２は発振振幅の変化を検出コイル６のコンダクタンスｇの変化として検出する。つまり、検出回路３２は検出コイル６のコンダクタンスの変化により、被検出物体Ａが検出コイル６に接近したことを検出する。コンダクタンスｇの値は以下の式（１）により表わされる。
【００５３】
ｇ＝Ｒ／｛Ｒ2＋（ωＬ）2｝ …（１）
ここでＲは検出コイル６の抵抗値、Ｌは検出コイル６のインダクタンス値、ωは発振回路３１の発振周波数である。
【００５４】
図４は、図２の近接センサ１に発生する磁束を説明する図である。
図４を参照して、図３の発振回路３１の発振時に検出コイル６から被検出物体Ａに向けて磁束ＦＬ０が発生する。このとき被検出物体Ａには表皮効果が生じており検出距離Ｄは表皮深さに等しくなる。ここで表皮深さとは、検出コイルから発生した磁束が金属体に鎖交する際、金属体内に磁束が浸透し渦電流が流れる深さであるから、表皮深さＳは以下の式（２）のように示される。
【００５５】
Ｓ＝｛２／（ω×μ×σ）｝1/2 …（２）
ここでσは検出面２１の導電率であり、μは検出面２１の比透磁率である。よって、表皮深さＳを大きくする（すなわち、検出距離Ｄを長くする）には発振回路３１の発振周波数ωを低くするか、比透磁率μを下げるか、導電率σを低くする（すなわち体積抵抗率を高くする）かのいずれかを行なうことが有効になる。本実施の形態では特に、発振周波数ωを低くすること、および体積抵抗率を高くすることが行なわれる。
【００５６】
検出コイル６から側面部２４への磁束ＦＬ１（すなわち漏洩磁束）は取付金属５１の方向に誘導され、磁束ＦＬ１の一部が磁束ＦＬ３として取付金属５１に達する。また、側面部２４では磁束ＦＬ１により渦電流が生じ、その渦電流によって検出コイル６の方向に磁束ＦＬ２が発生するとともに、取付金属５１に向けて磁束ＦＬ４が発生する。磁束ＦＬ２，ＦＬ４によって取付金属５１では渦電流による損失が発生する。側面部２４では磁束が通過しやすくなっているので側面部２４での渦電流による損失は減少するものの取付金属５１では損失が増加する。発振周波数ωを調整することで漏洩磁束による損失を取付金属５１の有無に拘らず変化しないように調整することができる。よって近接センサ１は取付金属５１による影響を防ぐことができる。
【００５７】
このように近接センサ１はその発振周波数を適切に設定することで、検出面２１の肉厚が厚く、かつ、磁性金属により構成される取付金属に埋込まれた状態で取付けられても検出感度の低下を防ぐことが可能である。以下、近接センサ１の特性について、より詳細に説明する。
【００５８】
図５は、図２の近接センサ１の磁場解析モデルを示す図である。
図５を参照して、図１の近接センサ１をその中心軸に沿って１／４カットした磁場解析モデルを示す。この解析モデルでは検出面２１，側面部２４，検出コイル６，コア８が示される。また、解析の便宜上、図５において取付金属５１は取付金属５１Ａ，５１Ｂに分解される。
【００５９】
次に、図５の磁場解析モデルを用いてＣＡＥ(Computer Aided Engineering)解析した結果を図６〜図１３を参照しながら説明する。なお、図６〜図９において、グラフの指標ＭＥＴＡＬ１，ＴＡＲＧＥＴ，ＣＯＩＬ，ＣＯＲＥ，ＫＡＮＡＧＵ２，ＫＡＮＡＧＵ１は、それぞれ図５の取付金属５１Ａ，被検出物体Ａ，検出コイル６，コア８，側面部２４，検出面２１を示す。また、図６〜図９では被検出物体Ａ（ＴＡＲＧＥＴ）を鉄、検出面２１（ＫＡＮＡＧＵ１）および側面部２４（ＫＡＮＡＧＵ２）をステンレス、取付金属５１Ｂ（ＭＥＴＡＬ２）を空気と設定している。また、検出面２１の取付金属５１Ａからの突出距離は０ｍｍに設定している。また、このモデルにおける近接センサのサイズ規格（外形の大きさ）はＭ１８サイズとする。
【００６０】
図６は、取付金属５１Ａ（ＭＥＴＡＬ１）が鉄の場合の有効電力の変化を示す図である。
【００６１】
図６を参照して、検出コイル６からの磁束により近接センサを構成する部品の生じる損失が、発振周波数によってどのように変化するかが示される。検出コイル６の磁束が構成部品に鎖交することで生じる損失は有効電力（実際に消費される電力）に比例する。このため損失の変化を有効電力の変化とみなすことができる。
【００６２】
図６に示されるように、取付金属５１Ａが鉄（磁性金属）の場合、発振周波数が低い領域では、取付金属５１Ａ、ケース２（検出面２１および側面部２４）、被検出物体Ａの有効電力が増加する。すなわち検出距離が増加する。一方、発振周波数が高い領域ではこれらの有効電力は減少する。すなわち検出距離が減少する。
【００６３】
このように有効電力が変化する理由は以下のように考えられる。すなわち、高い発振周波数では検出コイル６からの漏洩磁束が鉄に誘導されにくくなるため側面部２４に生じる損失は増加する。取付金属５１Ａに鎖交して発生する渦電流により側面部２４に鎖交する磁束を打ち消す反磁束が生じるが、その反磁束も大きくなる。よって側面部２４に鎖交する磁束と反磁束とが相殺することでケース２の損失が減少する。
【００６４】
図７は、取付金属５１Ａ（ＭＥＴＡＬ１）がアルミの場合の有効電力の変化を示す図である。
【００６５】
図７を参照して、発振周波数が低いほど検出面２１および側面部２４（ＫＡＮＡＧＵ１，ＫＡＮＡＧＵ２）での有効電力が負方向に増加する。言い換えると発振周波数が低いほど損失が減少して検出距離が短くなる。この理由はアルミの導電率が高いため、取付金属５１Ａで生じた渦電流による反磁束が側面部２４で発生していた損失を打ち消す方向に働らき、その結果有効電力が減少するためである。より低い周波数ほど磁束が側面部２４を通過し、取付金属５１Ａで生じた渦電流が大きくなるから、その効果は大きくなる。
【００６６】
図６および図７から、取付金属５１Ａが鉄（磁性体）の場合、取付金属の有無による損失の変化を０、または０付近に設定することが可能な発振周波数が５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲に存在することが分かる。これらの結果は、発振周波数を５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲に設定すればセンサを取付金属（鉄）に設置しても検出距離の低下（すなわちセンサの検出感度の低下）を防ぐことができることを示す。
【００６７】
図８は、取付金属５１Ａが存在しない場合に被検出物体が接近したときの損失の変化を示す図である。なお、「取付金属５１Ａが存在しない場合」とは図５のモデルにおいて取付金属５１Ａ（ＭＥＴＡＬ１）を空気と設定した場合である。
【００６８】
図８を参照して、被検出物体Ａ（ＴＡＲＧＥＴ）が接近する前と接近した状態とで損失の変化が最大になるときに近接センサの感度は最大となる。図８に示されるように２０ｋＨｚ以下の発振周波数では、被検出物体Ａの接近にともなって被検出物体Ａの有効電力が増加するとともにケース２の有効電力が増加する。また、このときには検出コイル６自身の有効電力は減少する（負方向に増加する）。既に述べたように有効電力の増加とは損失の増加を意味する。また全体の損失の変化が最大になるときの発振周波数がセンサの感度が最大のときの発振周波数に等しい。
【００６９】
図９は、発振周波数に対する全体の有効電力の変化を示す図である。
図９を参照して、図８での各構成部品の有効電力の合計がグラフに示される。図９から１０ｋＨｚ前後の発振周波数で有効電力の合計が最大になることが分かる。すなわち、外形の大きさがＭ１８であるときは、センサの感度が最大のときの発振周波数は約１０ｋＨｚである。
【００７０】
図１０は、被検出物体Ａの接近に伴う検出コイル６のコンダクタンスｇの変化率を示す図である。
【００７１】
上述のように、実際の近接センサでは有効電力の変化を検出コイル６のコンダクタンスｇの変化としてとらえ、コイルの発振振幅の変化を回路処理して検出する。そのためＣＡＥ解析で得られた有効電力等のパラメータの変化をコンダクタンスｇの変化に置換えることができる。
【００７２】
図１０を参照して、被検出物体Ａ（鉄）を近接センサ１の定格検出距離（本発明における「所定の距離」）から、その定格検出距離の１０％だけ遠ざけたときの検出コイル６のコンダクタンスｇの変化率を示す。
【００７３】
ここで「定格検出距離」とは、たとえば製品規格により定められた検出距離を示す。また、本実施の形態では、図２に示す検出距離Ｄが定格検出距離のときから定格検出距離の１０％だけ長くなったときのコンダクタンスの変化率（単位：％）をΔｇと示す。Δｇは以下の式（３）により定義される。
【００７４】
Δｇ＝（ｇ１１０％−ｇ１００％）／ｇ１００％×１００ …（３）
式（３）においてｇ１００％は検出距離Ｄが定格検出距離のときのコンダクタンスの値であり、ｇ１１０％は検出距離Ｄが定格検出距離の１．１倍のときのコンダクタンス値を示す。
【００７５】
図１０は検出面２１の厚みｔが０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，０．８ｍｍの各場合におけるΔｇの発振周波数に対する変化を示す。なお、検出面２１の厚みが０．８ｍｍの場合の曲線が２つある（図１０においてｔ＝０．８，ｔ＝０．８Ｃと示す）が、これらの曲線は検出コイル６の線径が互いに異なる場合のΔｇの変化を示している。
【００７６】
ある発振周波数（たとえば３０ｋＨｚ）では、検出面２１の厚みが増すほどΔｇが小さくなる傾向にある。これは検出面２１が厚いほど磁束が通りにくくなるためである。
【００７７】
各曲線上の黒点に対応する発振周波数は、Δｇの絶対値が最大（検出感度が最大）となる発振周波数を示す。検出感度が最大となる発振周波数は検出面２１の厚みが増すほど低くなる。また、ｔ＝０．８およびｔ＝０．８Ｃのときの曲線から、コイルの線径は同一の体積内で巻かれた場合、検出感度に殆ど影響を与えないことが分かる。
【００７８】
図１１は、取付金属５１の有無によるコンダクタンス変化を示す図である。
図１１を参照して、近接センサ１を取付金属５１に取付けていないときに得られるコンダクタンスｇに対して、近接センサ１を取付金属５１に取付けたときに得られるコンダクタンスｇの値の変化率を示す。
【００７９】
図１１では検出面２１の厚みを０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，０．８ｍｍにそれぞれ設定している。各曲線上に示す黒い丸印に対応する発振周波数はコンダクタンス変化が０になる（コンダクタンス変化が最小である）ときの発振周波数であり、近接センサを取付金属に設けても検出距離の低下が発生しない発振周波数である。
【００８０】
図１１から、検出面２１の厚みが増すほどコンダクタンス変化が０となる発振周波数は低くなることが分かる。また、発振周波数を低くすればコンダクタンス変化は正方向に増加し、発振周波数を低くすればコンダクタンス変化は負方向に増加する。この傾向は検出面２１の厚みによらず共通する。
【００８１】
コンダクタンスの変化率の増加および減少は検出距離の増加および減少をそれぞれ意味する。よって、図１１の黒点に示す発振周波数を基準として、ケース２の周囲に磁性金属（取付金属）が存在する場合と磁性金属が存在しない場合とで、被検出物体とコイルとの距離の変化に対するコンダクタンス変化が所定の範囲内（たとえば０±０．５％）になるように発振周波数の範囲を定めることによって、近接センサを磁性金属に取付けても検出距離の低下を防いだり、検出距離の低下を製品規格内に収めたりすることが可能になる。
【００８２】
なお、上述のように、本実施の形態において検出面２１は高い体積抵抗率を有する非磁性体（たとえばＳＵＳ材）により構成される必要がある。以下、図１２，１３を示しながら、その理由を補足して説明する。
【００８３】
図１２は、検出面２１がＳＵＳ材の場合において取付金属の有無に応じた回路定数の変化率を示す図である。
【００８４】
図１２を参照して、抵抗値Ｒ，インダクタンス値Ｌおよびコンダクタンスｇの発振周波数に対する変化率をそれぞれ示す。図１２において抵抗値Ｒの変化率とは、近接センサを取付金属に設置しない場合の抵抗値に対し、近接センサを取付金属に設置した場合の抵抗値がどれだけ変化したかを示す割合である。インダクタンス値Ｌおよびコンダクタンスｇの各々の変化率についても同様である。
【００８５】
検出面２１がＳＵＳ材の場合にはコンダクタンスｇの変化率が０％になる発振周波数発振周波数が２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの間で存在する。この傾向は図１１と同様である。
【００８６】
図１３は、検出面が樹脂の場合において取付金属の有無に応じた回路定数の変化率を示す図である。図１３を参照して、コンダクタンスｇの変化率が０％となる発振周波数が０〜１００ｋＨｚの範囲に存在しない。
【００８７】
図１２，図１３から、本実施の形態においては取付金属による検出感度への影響を防ぐため、非磁性体であり、かつ、高い体積抵抗率を有する金属を検出面に用いる必要があることが具体的に示される。
【００８８】
図１４は、本実施の形態の近接センサにおいてコンダクタンスｇの最適な範囲を示す図である。
【００８９】
図１４を参照して、被検出物体Ａが定格検出距離に位置する状態でのコンダクタンスｇの値と発振周波数との関係を示す。図１４のグラフでは、検出面２１の厚みが０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，０．８ｍｍのときのコンダクタンスｇの変化を示す。検出面２１の厚みが０．８ｍｍの場合の曲線が２つある（ｔ＝０．８，ｔ＝０．８Ｃ）が、これらの曲線は図１０と同様に、検出コイル６の線径が異なる場合のコンダクタンスの変化を示している。
【００９０】
定格検出距離でのコンダクタンスｇの値（すなわちｇ１００％の値）は、近接センサ１の検出距離を調整するために重要な値である。消費電流を抑えるためにはコンダクタンスｇの値自体が小さい方が望ましい。本実施の形態ではコンダクタンスｇの範囲は１０μＳと１５０μＳとの間に設定される。なおコンダクタンスｇの範囲は３０μＳと１００μＳとの間にあるほうがより好ましい。ここで単位μＳは「マイクロジーメンス」を示す。
【００９１】
図１４に示されるようにコンダクタンスｇの値は発振周波数に依存し、検出面２１の厚みによる影響は小さい。発振周波数は検出コイル６の線径を変えてコンダクタンスを調整することにより決定できる。その理由は、検出コイル６の線径を変えることで検出コイル６の巻数が変化してインダクタンス値が変わるためである。なお、コイルの線径を小さくすることでコンダクタンスｇを減少させ、線径を大きくすることでコンダクタンスｇを増加させることができる。
【００９２】
以上、図１０で示す検出感度、図１１で示す取付金属の影響、および図１４で示すコンダクタンスｇの範囲の各条件を満たす発振周波数（たとえば１０〜５０ｋＨｚの範囲の周波数）を選択することにより、本実施の形態の近接センサは検出距離の最大化、取付金属（鉄材）の影響の極小化（鉄材に取付けたときの影響を受けない）および消費電流の低減を実現できる。上述の解析により得られたパラメータを用いて作成した近接センサの特性を説明する。
【００９３】
図１５は、実際に作成した近接センサの測定値を示す図である。
図１５を参照して、外形の大きさがＭ１８サイズのＳＵＳケース（ケース検出面の厚みを０．８ｍｍとした）を使用した近接センサの測定値としてΔｇの値（図１５において「Δｇ」と示す）、取付金属（鉄）の有無によるΔｇの差（図１５において「０ｍｍでのｇ変化率」と示す）、および、コンダクタンスｇの値を示す。
【００９４】
この近接センサにおいては最適な発振周波数は約１２ｋＨｚに設定される。その理由は、検出感度すなわちΔｇの絶対値（約１．０％）が検出回路による検出可能な値（最低限検出可能な感度以上）であり、取付金属（鉄）の有無によるコンダクタンス変化（約０．５％）が最小値である０％に近く、定格検出距離でのコンダクタンスｇの値（約７０μＳ）が望ましい範囲（３０〜１００μＳ）内に収まるためである。
【００９５】
図１６は、取付金属の影響を実際に測定した結果を示す図である。
図１６を参照して、取付金属からの検出面２１の突き出し距離が０ｍｍの場合、取付金属による検出距離の変化率は＋３％程度と小さくなる。また、検出面２１を取付金属５１から４ｍｍだけ突き出して、その突き出し部分にＳＵＳ３０３の六角ナットを取付けた場合（図２１に示す取付状態の場合）には検出距離の変化は０％になる。このように、発振周波数を最適に設定することで近接センサ１では取付金属による検出距離への影響を低減できる。
【００９６】
図１７は、発振周波数を最適値から変化させたときの、取付金属からの検出面２１の突き出し距離によるコンダクタンス変化率を示す図である。ここで最適値とはコンダクタンス変化が突き出し距離０ｍｍのとき最小で、コンダクタンス値が所定範囲内、検出感度（Δｇ）が検出可能な範囲内になるときの発振周波数である。
【００９７】
図１７を参照して、発振周波数が最適値（この例にあっては約１２ｋＨｚ）より低くなるとコンダクタンスｇが増加して検出距離が増加する。一方、発振周波数が高くなるとコンダクタンスｇが減少して検出距離が減少する。このように図１７の結果は図１１に示すＣＡＥ解析結果の傾向と等しいといえる。図１７から、発振周波数をΔｇの絶対値が最大のときの発振周波数（この例では約１５ｋＨｚ）よりも低く設定しておけば、近接センサを取付金属（鉄）に設置した場合に、センサの取付金属からの検出面２１の突き出し距離に対して所定範囲内の変化に抑えることが可能であるから、検出距離が低下したとしても、ある程度の検出距離を確保することができる。
【００９８】
なお検出コイル６の設計の具体例を示す。本実施の形態では検出コイルの幅および高さは以下の式（４）に従って定められる。
【００９９】
（定格検出距離）×（検出コイル６の高さ）／（検出コイル６の幅）≧（所定値） …（４）
すなわち、検出距離と、検出コイル６の幅に対する検出コイル６の高さの比との積が所定値以上になるよう、検出コイル６の幅および高さが定められる。検出コイル６の「幅」および「高さ」とは図２の検出コイル６の寸法ａ，ｂをそれぞれ示す。すなわち式（４）は、Ｄ×（ｂ／ａ）≧（所定値）と示される。
【０１００】
図１８は、検出コイル６の設計値を一覧表で示す表である。
図１８を参照して、ケース外形の大きさ（サイズ規格）ごとに、検出距離（Ａ）、検出コイル６の高さ（Ｂ）、検出コイル６の幅（Ｃ）、および式（４）により得られた結果を示す。図１８では式（４）により得られた結果が７より大きいことを示す。ただし、この所定値は７以外の値でもよく、近接センサに求められる性能に応じて適切に設定できる。
【０１０１】
なお、本実施の形態の近接センサは図２に示す構成を有するものと限定されない。本実施の形態の近接センサは、たとえば以下に示すような構成を有していてもよい。
【０１０２】
図１９は、本実施の形態の近接センサの別の構成例を示す断面図である。
図１９を参照して、近接センサ１は、検出面２１と側面部２４とが一部材として構成される。
【０１０３】
以上のように、本実施の形態によれば発振回路の発振周波数を、磁性金属により構成される取付金属がケースの周囲に存在する場合と存在しない場合とで、被検出物体とコイルとの距離の変化に対するコンダクタンスの変化率の差が所定の範囲内になるように選択する。これにより近接センサを取付金属に設置してもセンサの感度低下を抑えることができるので、センサの検出面を取付金属の主表面と同一面上に配置することが可能になり、被検出物体が側方から接近した際に近接センサへの衝突を防ぐことができる。よって近接センサの故障によるセンサの交換頻度を大幅に低減できる。
【０１０４】
また、本実施の形態によれば、近接センサの側面および検出面を非磁性金属により構成する。また、その非磁性金属として比透磁率が実質的に１であり、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上である金属が用いられる。これにより、検出面を磁束が通過しやすくなるので、検出距離の低下（検出感度の低下）を防ぐことができる。なお、本実施の形態ではこのような非磁性金属としてステンレスを用いることで、ケースの強度を確保できるとともに、コスト低減が可能になる。
【０１０５】
また、本実施の形態によれば、コンダクタンスｇを１０μＳと１５０μＳとの間（より好ましくは、３０μＳと１００μＳとの間）に設定する。これにより消費電力を低減できる。また、本実施の形態によれば、取付金属の有無によるコンダクタンス変化を所定の範囲（たとえば０±０．５％）に設定することで、性能の安定した近接センサを実現することができるとともに、近接センサの生産歩留を向上させることができる。
【０１０６】
また、本実施の形態によれば、上述の発振周波数は、Δｇの絶対値が最大となるときの発振周波数よりも低くなるように定められる。これにより近接センサを取付金属に設置して検出距離が低下したとしてもある程度の検出距離を確保することができる。
【０１０７】
また、本実施の形態によれば、検出コイルの幅および高さは、コイルの幅に対するコイルの高さの比と、検出距離との積が所定値以上になるように定められる。これにより上述の近接センサを具体的に実現可能とすることができる。
【０１０８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本実施の形態の近接センサの外形図である。
【図２】図１の近接センサ１の断面を示す模式図である。
【図３】図２の回路基板１０の構成を示す図である。
【図４】図２の近接センサ１に発生する磁束を説明する図である。
【図５】図２の近接センサ１の磁場解析モデルを示す図である。
【図６】取付金属５１Ａ（ＭＥＴＡＬ１）が鉄の場合の有効電力の変化を示す図である。
【図７】取付金属５１Ａ（ＭＥＴＡＬ１）がアルミの場合の有効電力の変化を示す図である。
【図８】取付金属５１Ａが存在しない場合に被検知物体が接近したときの損失の変化を示す図である。
【図９】発振周波数に対する全体の有効電力の変化を示す図である。
【図１０】被検出物体Ａの接近に伴う検出コイル６のコンダクタンスｇの変化率を示す図である。
【図１１】取付金属５１の有無によるコンダクタンス変化を示す図である。
【図１２】検出面２１がＳＵＳ材の場合において取付金属の有無に応じた回路定数の変化率を示す図である。
【図１３】検出面が樹脂の場合において取付金属の有無に応じた回路定数の変化率を示す図である。
【図１４】本実施の形態の近接センサにおいて最適なコンダクタンスの範囲を示す図である。
【図１５】実際に作成した近接センサの測定値を示す図である。
【図１６】取付金属の影響を実際に測定した結果を示す図である。
【図１７】発振周波数を最適値から変化させたときの、取付金属からの検出面２１の突き出し距離によるコンダクタンス変化率を示す図である。
【図１８】検出コイル６の設計値を一覧表で示す表である。
【図１９】本実施の形態の近接センサの別の構成例を示す断面図である。
【図２０】近接センサの設置状態の一例を示す図である。
【図２１】近接センサの設置状態の別の例を示す図である。
【図２２】近接センサの設置状態のさらに別の例を示す図である。
【図２３】近接センサの設置状態のさらに別の例を示す図である。
【図２４】検出距離の低下を防ぐことを可能にする従来の方法の一例を示す図である。
【図２５】検出距離の低下を防ぐことを可能にする従来の方法の別の例を示す図である。
【図２６】検出距離の低下を防ぐことが可能な従来の方法のさらに別の例を示す図である。
【図２７】検出距離の低下を防ぐことが可能な従来の方法のさらに別の例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１，１０１ 近接センサ、２，１０２ ケース、５ 信号用ケーブル、６，１０６ 検出コイル、８，１０８ コア、１０ 回路基板、２１，１２１ 検出面、２３ ねじ山、２４ 側面部、３１ 発振回路、３２ 検出回路、３３ 出力回路、３４ 検波回路、３５ 比較回路、５１，５１Ａ，５１Ｂ，１５１ 取付金属、１５２，１５３ 六角ナット、１５４ 遮蔽板、１５５ リング、１５６ 補助コイル、Ａ 被検出物体、ＦＬ０〜ＦＬ４ 磁束。
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属からなる被検出物の接近による磁界の損失を検出することによって、被検出物の接近を判別する近接センサに関する。特に、本発明はセンサを取付ける周囲金属体の影響による検出距離の変動を低減した近接センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近接センサ（または近接スイッチ）とは、検出対象の物体の移動や存在を検出して検出結果を電気信号として出力するセンサの総称である。近接センサの検出方式は各種あるが、たとえば電磁誘導によって金属の被検出物体に発生する渦電流を利用する方式がある。
【０００３】
電磁誘導を利用した近接センサは、一般的にコイルを有する高周波発振回路を備えている。このような近接センサでは、被検出物体がない時に発振状態であり、被検出物体の到来に応じてコンダクタンスが増加して発振が弱まる（または停止する）方式と、被検出物体がない時に発振停止状態であり、被検出物体の到来に応じてコンダクタンスが低下して発振が開始する方式とが存在し、後段の回路処理により被検出物体の有無に応じたコンダクタンス変化を振幅（または周波数）検出して被検出物体の到来を検出することが可能になる。
【０００４】
従来、近接センサのケースの検出面および側面は、ＳＵＳ（Stainless Used Steel）材料の金属により構成されている。ＳＵＳは非磁性体であり、かつ、その導電率が低いため、発振回路の発振周波数を比較的低く設定することにより、検出面を磁束が通過することができる。よって近接センサは検出面の前方に存在する被検出物体（金属のワーク）を検出することができる。
【０００５】
ケースの外径、すなわち検出面の直径によって、検出感度を最大にする（すなわち検出距離を長くする）発振周波数が異なる。検出面の直径が小さいほど高い発振周波数で検出感度が最大となり、逆に検出面の直径が大きいほど低い発振周波数で検出感度が最大となる。
【０００６】
また、近接センサのケース強度を向上させるために検出面の肉厚を厚くすると、検出感度の低下、すなわち検出距離の低下が生じる。その理由は検出面の肉厚を厚くすることにより、磁束がケースの検出面を通過しにくくなるためである。
【０００７】
図２０は、近接センサの設置状態の一例を示す図である。
図２０を参照して、近接センサ１０１の側面にはねじ山が設けられる。近接センサ１０１は、ねじ締めによって取付金属１５１に埋設した状態で取付けられる。また、検出面１２１と取付金属１５１の主表面とが同一平面になるように近接センサ１０１が取付けられる。多くの場合、取付金属１５１の材質としては強度やコストの点で鉄が採用されるのが一般的である。
【０００８】
図２１は、近接センサの設置状態の別の例を示す図である。
図２１を参照して、検出面１２１が取付金属１５１の一方の主表面から突出している点で図２０と異なっている。取付金属１５１より突出した部分に六角ナット１５２を取付けることで近接センサ１０１は固定される。
【０００９】
図２２は、近接センサの設置状態のさらに別の例を示す図である。
図２２を参照して、図２０と同様に、検出面１２１は取付金属１５１の一方の主表面と同一になるように近接センサ１０１が設けられる。ただし図２２では、取付金属１５１に対して検出面１２１と反対側に近接センサ１０１を固定するための六角ナット１５２が設けられる。
【００１０】
図２３は、近接センサの設置状態のさらに別の例を示す図である。
図２３を参照して、取付金属１５１の厚みは図２２に示す取付金属１５１よりもさらに薄い。取付金属１５１を挟んで設けられる六角ナット１５２，１５３によって近接センサ１０１は固定される。
【００１１】
上述のように、比較的低い発振周波数を選択することによって、非磁性体の金属からなる検出面を磁束が通過しやすくなる。つまりＳＵＳ材により構成されるケースは磁束を遮蔽する効果が弱い。このためケース側面から外に漏洩磁束が発生する。この漏洩磁束が取付金属に磁性作用を与えることで、近接センサの検出距離が変化するという現象が発生する。
【００１２】
検出距離に与える影響の大小は取付金属の材質により異なる。たとえば取付金属が真鍮やアルミのような非磁性体であり、かつ、導電率の高い材質であれば、検出距離が大きく低下する。
【００１３】
取付金属がアルミや真鍮の場合、漏洩磁束に応じて発生した渦電流により、漏洩磁束に反発する磁束が発生する。この結果、ケース側面を鎖交する磁束が減少するためケース側面での損失が減少する。ケース側面での損失が減少することで検出コイルの損失も減少する。よって発振回路の出力（発振振幅）が大きくなる。この場合、被検出物体が近接センサに十分に接近しないと発振振幅は所定値まで低下しないため検出距離が大きく低下する。
【００１４】
一方、取付金属が鉄等の磁性金属であれば、検出距離の低下を抑えることができる。この場合、漏洩磁束は取付金属の方向に誘導される。ケース側面での損失が減少しても、その損失は取付金属で発生する磁束によって補完されるので発振振幅の変動を抑えることができる。この結果、検出距離の低下を抑えることができる。
【００１５】
しかしながら、被検出物体の材質は鉄であることが多い。よって、取付金属の材質として鉄を用いた場合には、被検出物体が実際に存在しなくても存在するかのようにセンサが反応するという問題が発生する。このような問題を防ぐための従来の方法について図を参照しながら説明する。
【００１６】
図２４は、検出距離の低下を防ぐことを可能にする従来の方法の一例を示す図である。
図２４を参照して、近接センサ１０１の断面を示す。ケース１０２の内部には、検出コイル１０６が巻かれたコア１０８、および、コア１０８を囲む遮蔽板１５４が設けられている。遮蔽板１５４は導電率の高い金属により構成される。遮蔽板１５４により検出コイル１０６からケース１０２への漏洩磁束を防ぐことで、取付金属による検出距離に対する影響を抑えることができ、これにより検出距離の低下を防ぐことができる。
【００１７】
図２５は、検出距離の低下を防ぐことを可能にする従来の方法の別の例を示す図である。
【００１８】
図２５を参照して、ケース１０２の内面には格子状に溝が形成される。これによりケース１０２での渦電流を小さくすることができるので検出距離の低下を防ぐことができる。
【００１９】
図２６は、検出距離の低下を防ぐことが可能な従来の方法のさらに別の例を示す図である。
【００２０】
図２６を参照して、コア１０８の周囲には、たとえばフェライト等の高い透磁率を有し、かつ損失が少ない材料で構成されたリング１５５が設けられる。リング１５５によってコア１０８の側方の磁束がリング１５５に誘導される。これによって取付金属１５１への漏洩磁束を防ぐことができるので検出距離の低下を防ぐことができる。
【００２１】
図２７は、検出距離の低下を防ぐことが可能な従来の方法のさらに別の例を示す図である。
【００２２】
図２７を参照して、コア１０８の側方に補助コイル１５６が設けられる。この補助コイル１５６により発生する逆向きの磁束が検出コイル１０６より発生する漏洩磁束を取付金属からそれた方向に誘導することで検出距離の低下を防ぐことができる。
【００２３】
図２４の技術の採用例として、たとえば特許第３０２３３１１号明細書（特許文献１）はステンレスで形成されたケースと鉄で形成された取付部材とを備える近接センサを開示する。
【００２４】
また、図２７の技術の採用例として、たとえば特許第２６０３６２８号明細書（特許文献２）ではセンサコイルを配備したコアの検出両端部外周に補助コイルを設けた近接センサを開示する。
【特許文献１】特許第３０２３３１１号明細書
【特許文献２】特許第２６０３６２８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
上述のようにケースの検出面の肉厚を厚くすると検出距離が短くなる。つまり検出面の肉厚と検出距離とはトレードオフの関係にある。センサの最大感度付近の発振周波数を選択することによって、ある程度の長さの検出距離を確保できる。しかし、取付金属の材質が鉄の場合にはセンサの感度を高くするほど取付金属の影響が大きくなる。よって、選択する発振周波数によっては検出距離が極端に短くなったりあるいは極端に大きくなったりする。
【００２６】
図２１や図２３に示すように、取付金属から検出面を突出させて近接センサを取付けることで取付金属の影響を低減できる。しかしながら取付金属から検出面を突出させるためにはある程度のスペースを確保する必要がある。さらにスペースを確保できない場合には近接センサを取付けることができなくなる。
【００２７】
また、被検出物体が移動する際に軌道が不安定なため、被検出物体が上下する場合がある。よって近接センサの検出面を取付金属から突出させると、被検出物体が近接センサの検出面に接触したりあるいはケース側面に衝突したりする。これにより近接センサが故障しやすくなる。
【００２８】
また、図２４〜図２７に示す従来技術の場合にはコストの点が問題となる。たとえば図２４，２６，２７に示す従来技術の場合、部品の追加に伴うコスト上昇が生じる。また図２５に示す従来技術の場合には、ケース内面の設計や加工に伴うコスト上昇が生じる。
【００２９】
さらに、図２７に示す従来技術の場合、個体間での調整が困難となる。また、コアの径が小さくなるため検出距離が短くなる。もともと検出面の直径が小さい近接センサにおいては補助コイルを入れること自体がスペースの面で困難となる。
【００３０】
本発明の目的は、検出面の肉厚を厚くし、かつ、鉄などの磁性金属により構成される取付金属に埋込んで設置しても検出感度の低下を防ぐことが可能な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】
【００３１】
本発明は要約すれば、金属により構成される被検出物体の接近を検出する近接センサであって、コイルと、コイルに接続される発振回路と、発振回路の発振動作時におけるコイルのコンダクタンスの変化により、被検出物体がコイルに接近したことを検出する検出回路と、非磁性金属により構成され、少なくともコイルを収納するケースとを備える。発振回路の発振周波数は、ケースの周囲に磁性金属が存在する場合と磁性金属が存在しない場合とで、被検出物体とコイルとの距離の変化に対するコンダクタンスの変化率の差が、所定の範囲に収まるように設定される。
【００３２】
好ましくは、ケースは、被検出物体とコイルとの間に設けられる検出面を含む。検出面は、比透磁率が実質的に１であり、かつ、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上の金属により構成される。
【００３３】
より好ましくは、検出面の材質は、ステンレスである。
さらに好ましくは、ケースは、少なくとも検出面とコイルとを囲んで設けられる側面部をさらに含む。側面部は、比透磁率が実質的に１であり、かつ、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上の金属により構成される。
【００３４】
さらに好ましくは、側面部の材質は、ステンレスである。
好ましくは、コンダクタンスの変化率は、以下の式により表わされる：
（ｇ１１０％−ｇ１００％）／ｇ１００％×１００
ただし、ｇ１００％は、被検出物体と近接センサとの検出距離が所定の距離のときのコンダクタンスの値であり、ｇ１１０％は、検出距離が所定の距離の１．１倍のときのコンダクタンスの値である。
【００３５】
より好ましくは、ｇ１００％の値は、１０マイクロジーメンスと１５０マイクロジーメンスとの間の値である。
【００３６】
さらに好ましくは、ｇ１００％の値は、３０マイクロジーメンスと１００マイクロジーメンスとの間の値である。
【００３７】
より好ましくは、コイルの幅および高さは、コイルの幅に対するコイルの高さの比と、所定の距離との積が所定値以上になるように定められる。
【００３８】
より好ましくは、発振周波数は、上記の式に従うコンダクタンスの変化率の絶対値が最大となるときの周波数よりも低くなるように設定される。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の近接センサによれば、取付金属が鉄などの磁性体の場合にも検出距離を低下させることなく検出面を取付金属の主表面と同一になるように取付けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４１】
図１は、本実施の形態の近接センサの外形図である。
図１を参照して、近接センサ１は本体を収納するケース２と、信号用ケーブル５とを備える。後述するように、ケース２において検出面２１側には検出コイルが収納される。また、ケース２の外周には取付金属への設置のため、ねじ山２３が形成される。信号用ケーブル５は、近接センサ１の検出結果、すなわち電気信号を出力するために設けられる。
【００４２】
図２は、図１の近接センサ１の断面を示す模式図である。なお、断面方向は図１の紙面に平行である。
【００４３】
図２を参照して、ケース２は取付金属５１にねじ締めにより固定される。取付金属５１は鉄等の磁性金属である。ケース２の内部には検出コイル６、コア８、および回路基板１０が設けられる。なお、ケース２の内部に少なくとも検出コイル６が設けられていればよく回路基板１０がケース２の外部に設けられていてもよい。
【００４４】
ケース２は検出コイル６に対向して設けられる検出面２１と、少なくとも検出面２１と検出コイルとを囲むように設けられる側面部２４とを含む。
【００４５】
検出面２１および側面部２４はともに非磁性金属により構成される。検出面２１を非磁性金属でかつ体積抵抗率が大きいものにより構成することで検出コイル６からの磁束が検出面２１を通過しやすくなるので近接センサ１の感度を高くすることができる。また側面部２４を非磁性金属により構成することで、取付金属５１が鉄等の磁性金属の場合に近接センサ１の感度低下を防ぐことができる。
【００４６】
なお、非磁性体は一般的にその比透磁率（同じ磁界強度における物質の透磁率と真空の透磁率の比）μが実質的に１である（たとえばＳＵＳ３０３の比透磁率は約１．０３である）が、体積抵抗率は材質により異なる。本実施の形態では検出面２１に用いられる非磁性金属として体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上であることが好ましい。このような特性を満たす材質としては、たとえばチタンやＳＵＳ３０３等の非磁性ステンレスなどが挙げられる。ただし強度およびコストの点で検出面２１の材質にはステンレスが好ましい。
【００４７】
また、側面部２４に用いられる金属も比透磁率μが実質的に１であり、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上であることが好ましい。つまり、側面部２４の材質は検出面２１の材質と同じであることが好ましい。検出面２１と側面部２４に同じ材料を用いることで検出距離の低下を防ぐことができるとともに、コストを低減することができる。本実施の形態では検出面２１および側面部２４の材質にはＳＵＳ３０３が用いられる。
【００４８】
検出コイル６はコア８に巻回される。コア８はたとえばＥ形のフェライトコアであり、検出コイル６に発生する磁束を前方（検出面２１側）に誘導する。
【００４９】
図３は、図２の回路基板１０の構成を示す図である。
図３を参照して、回路基板１０には、発振回路３１、検出回路３２、および出力回路（ＯＵＴ）３３が搭載される。検出回路３２は検波回路３４と比較回路３５とを含む。
【００５０】
発振回路３１は検出コイル６に接続される。発振回路３１は被検出物体の到来しない状態で発振している。検波回路３４は発振回路３１の発振信号を直流信号に変換する。比較回路３５は検波回路３４が出力する直流信号を予め設定された基準レベルと比較する。
【００５１】
発振回路３１の発振動作時に図２に示す被検出物体Ａが検出面２１（および検出コイル６）に接近すると、検出コイル６が発生する磁束が被検出物体Ａにより生じる渦電流の影響を受ける。このため発振回路３１の発振振幅が小さくなる。よって検波回路３４の出力のレベルが基準レベル以下となる。この状態での比較回路３５の出力信号が出力回路３３を介して外部に出力されることで、被検出物体の接近が検出される。このときの検出面２１と被検出物体Ａとの距離を図２では検出距離Ｄと示す。
【００５２】
なお実際の製品では、検出回路３２は発振振幅の変化を検出コイル６のコンダクタンスｇの変化として検出する。つまり、検出回路３２は検出コイル６のコンダクタンスの変化により、被検出物体Ａが検出コイル６に接近したことを検出する。コンダクタンスｇの値は以下の式（１）により表わされる。
【００５３】
ｇ＝Ｒ／｛Ｒ2＋（ωＬ）2｝ …（１）
ここでＲは検出コイル６の抵抗値、Ｌは検出コイル６のインダクタンス値、ωは発振回路３１の発振周波数である。
【００５４】
図４は、図２の近接センサ１に発生する磁束を説明する図である。
図４を参照して、図３の発振回路３１の発振時に検出コイル６から被検出物体Ａに向けて磁束ＦＬ０が発生する。このとき被検出物体Ａには表皮効果が生じており検出距離Ｄは表皮深さに等しくなる。ここで表皮深さとは、検出コイルから発生した磁束が金属体に鎖交する際、金属体内に磁束が浸透し渦電流が流れる深さであるから、表皮深さＳは以下の式（２）のように示される。
【００５５】
Ｓ＝｛２／（ω×μ×σ）｝1/2 …（２）
ここでσは検出面２１の導電率であり、μは検出面２１の比透磁率である。よって、表皮深さＳを大きくする（すなわち、検出距離Ｄを長くする）には発振回路３１の発振周波数ωを低くするか、比透磁率μを下げるか、導電率σを低くする（すなわち体積抵抗率を高くする）かのいずれかを行なうことが有効になる。本実施の形態では特に、発振周波数ωを低くすること、および体積抵抗率を高くすることが行なわれる。
【００５６】
検出コイル６から側面部２４への磁束ＦＬ１（すなわち漏洩磁束）は取付金属５１の方向に誘導され、磁束ＦＬ１の一部が磁束ＦＬ３として取付金属５１に達する。また、側面部２４では磁束ＦＬ１により渦電流が生じ、その渦電流によって検出コイル６の方向に磁束ＦＬ２が発生するとともに、取付金属５１に向けて磁束ＦＬ４が発生する。磁束ＦＬ２，ＦＬ４によって取付金属５１では渦電流による損失が発生する。側面部２４では磁束が通過しやすくなっているので側面部２４での渦電流による損失は減少するものの取付金属５１では損失が増加する。発振周波数ωを調整することで漏洩磁束による損失を取付金属５１の有無に拘らず変化しないように調整することができる。よって近接センサ１は取付金属５１による影響を防ぐことができる。
【００５７】
このように近接センサ１はその発振周波数を適切に設定することで、検出面２１の肉厚が厚く、かつ、磁性金属により構成される取付金属に埋込まれた状態で取付けられても検出感度の低下を防ぐことが可能である。以下、近接センサ１の特性について、より詳細に説明する。
【００５８】
図５は、図２の近接センサ１の磁場解析モデルを示す図である。
図５を参照して、図１の近接センサ１をその中心軸に沿って１／４カットした磁場解析モデルを示す。この解析モデルでは検出面２１，側面部２４，検出コイル６，コア８が示される。また、解析の便宜上、図５において取付金属５１は取付金属５１Ａ，５１Ｂに分解される。
【００５９】
次に、図５の磁場解析モデルを用いてＣＡＥ(Computer Aided Engineering)解析した結果を図６〜図１３を参照しながら説明する。なお、図６〜図９において、グラフの指標ＭＥＴＡＬ１，ＴＡＲＧＥＴ，ＣＯＩＬ，ＣＯＲＥ，ＫＡＮＡＧＵ２，ＫＡＮＡＧＵ１は、それぞれ図５の取付金属５１Ａ，被検出物体Ａ，検出コイル６，コア８，側面部２４，検出面２１を示す。また、図６〜図９では被検出物体Ａ（ＴＡＲＧＥＴ）を鉄、検出面２１（ＫＡＮＡＧＵ１）および側面部２４（ＫＡＮＡＧＵ２）をステンレス、取付金属５１Ｂ（ＭＥＴＡＬ２）を空気と設定している。また、検出面２１の取付金属５１Ａからの突出距離は０ｍｍに設定している。また、このモデルにおける近接センサのサイズ規格（外形の大きさ）はＭ１８サイズとする。
【００６０】
図６は、取付金属５１Ａ（ＭＥＴＡＬ１）が鉄の場合の有効電力の変化を示す図である。
【００６１】
図６を参照して、検出コイル６からの磁束により近接センサを構成する部品の生じる損失が、発振周波数によってどのように変化するかが示される。検出コイル６の磁束が構成部品に鎖交することで生じる損失は有効電力（実際に消費される電力）に比例する。このため損失の変化を有効電力の変化とみなすことができる。
【００６２】
図６に示されるように、取付金属５１Ａが鉄（磁性金属）の場合、発振周波数が低い領域では、取付金属５１Ａ、ケース２（検出面２１および側面部２４）、被検出物体Ａの有効電力が増加する。すなわち検出距離が増加する。一方、発振周波数が高い領域ではこれらの有効電力は減少する。すなわち検出距離が減少する。
【００６３】
このように有効電力が変化する理由は以下のように考えられる。すなわち、高い発振周波数では検出コイル６からの漏洩磁束が鉄に誘導されにくくなるため側面部２４に生じる損失は増加する。取付金属５１Ａに鎖交して発生する渦電流により側面部２４に鎖交する磁束を打ち消す反磁束が生じるが、その反磁束も大きくなる。よって側面部２４に鎖交する磁束と反磁束とが相殺することでケース２の損失が減少する。
【００６４】
図７は、取付金属５１Ａ（ＭＥＴＡＬ１）がアルミの場合の有効電力の変化を示す図である。
【００６５】
図７を参照して、発振周波数が低いほど検出面２１および側面部２４（ＫＡＮＡＧＵ１，ＫＡＮＡＧＵ２）での有効電力が負方向に増加する。言い換えると発振周波数が低いほど損失が減少して検出距離が短くなる。この理由はアルミの導電率が高いため、取付金属５１Ａで生じた渦電流による反磁束が側面部２４で発生していた損失を打ち消す方向に働らき、その結果有効電力が減少するためである。より低い周波数ほど磁束が側面部２４を通過し、取付金属５１Ａで生じた渦電流が大きくなるから、その効果は大きくなる。
【００６６】
図６および図７から、取付金属５１Ａが鉄（磁性体）の場合、取付金属の有無による損失の変化を０、または０付近に設定することが可能な発振周波数が５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲に存在することが分かる。これらの結果は、発振周波数を５ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲に設定すればセンサを取付金属（鉄）に設置しても検出距離の低下（すなわちセンサの検出感度の低下）を防ぐことができることを示す。
【００６７】
図８は、取付金属５１Ａが存在しない場合に被検出物体が接近したときの損失の変化を示す図である。なお、「取付金属５１Ａが存在しない場合」とは図５のモデルにおいて取付金属５１Ａ（ＭＥＴＡＬ１）を空気と設定した場合である。
【００６８】
図８を参照して、被検出物体Ａ（ＴＡＲＧＥＴ）が接近する前と接近した状態とで損失の変化が最大になるときに近接センサの感度は最大となる。図８に示されるように２０ｋＨｚ以下の発振周波数では、被検出物体Ａの接近にともなって被検出物体Ａの有効電力が増加するとともにケース２の有効電力が増加する。また、このときには検出コイル６自身の有効電力は減少する（負方向に増加する）。既に述べたように有効電力の増加とは損失の増加を意味する。また全体の損失の変化が最大になるときの発振周波数がセンサの感度が最大のときの発振周波数に等しい。
【００６９】
図９は、発振周波数に対する全体の有効電力の変化を示す図である。
図９を参照して、図８での各構成部品の有効電力の合計がグラフに示される。図９から１０ｋＨｚ前後の発振周波数で有効電力の合計が最大になることが分かる。すなわち、外形の大きさがＭ１８であるときは、センサの感度が最大のときの発振周波数は約１０ｋＨｚである。
【００７０】
図１０は、被検出物体Ａの接近に伴う検出コイル６のコンダクタンスｇの変化率を示す図である。
【００７１】
上述のように、実際の近接センサでは有効電力の変化を検出コイル６のコンダクタンスｇの変化としてとらえ、コイルの発振振幅の変化を回路処理して検出する。そのためＣＡＥ解析で得られた有効電力等のパラメータの変化をコンダクタンスｇの変化に置換えることができる。
【００７２】
図１０を参照して、被検出物体Ａ（鉄）を近接センサ１の定格検出距離（本発明における「所定の距離」）から、その定格検出距離の１０％だけ遠ざけたときの検出コイル６のコンダクタンスｇの変化率を示す。
【００７３】
ここで「定格検出距離」とは、たとえば製品規格により定められた検出距離を示す。また、本実施の形態では、図２に示す検出距離Ｄが定格検出距離のときから定格検出距離の１０％だけ長くなったときのコンダクタンスの変化率（単位：％）をΔｇと示す。Δｇは以下の式（３）により定義される。
【００７４】
Δｇ＝（ｇ１１０％−ｇ１００％）／ｇ１００％×１００ …（３）
式（３）においてｇ１００％は検出距離Ｄが定格検出距離のときのコンダクタンスの値であり、ｇ１１０％は検出距離Ｄが定格検出距離の１．１倍のときのコンダクタンス値を示す。
【００７５】
図１０は検出面２１の厚みｔが０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，０．８ｍｍの各場合におけるΔｇの発振周波数に対する変化を示す。なお、検出面２１の厚みが０．８ｍｍの場合の曲線が２つある（図１０においてｔ＝０．８，ｔ＝０．８Ｃと示す）が、これらの曲線は検出コイル６の線径が互いに異なる場合のΔｇの変化を示している。
【００７６】
ある発振周波数（たとえば３０ｋＨｚ）では、検出面２１の厚みが増すほどΔｇが小さくなる傾向にある。これは検出面２１が厚いほど磁束が通りにくくなるためである。
【００７７】
各曲線上の黒点に対応する発振周波数は、Δｇの絶対値が最大（検出感度が最大）となる発振周波数を示す。検出感度が最大となる発振周波数は検出面２１の厚みが増すほど低くなる。また、ｔ＝０．８およびｔ＝０．８Ｃのときの曲線から、コイルの線径は同一の体積内で巻かれた場合、検出感度に殆ど影響を与えないことが分かる。
【００７８】
図１１は、取付金属５１の有無によるコンダクタンス変化を示す図である。
図１１を参照して、近接センサ１を取付金属５１に取付けていないときに得られるコンダクタンスｇに対して、近接センサ１を取付金属５１に取付けたときに得られるコンダクタンスｇの値の変化率を示す。
【００７９】
図１１では検出面２１の厚みを０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，０．８ｍｍにそれぞれ設定している。各曲線上に示す黒い丸印に対応する発振周波数はコンダクタンス変化が０になる（コンダクタンス変化が最小である）ときの発振周波数であり、近接センサを取付金属に設けても検出距離の低下が発生しない発振周波数である。
【００８０】
図１１から、検出面２１の厚みが増すほどコンダクタンス変化が０となる発振周波数は低くなることが分かる。また、発振周波数を低くすればコンダクタンス変化は正方向に増加し、発振周波数を低くすればコンダクタンス変化は負方向に増加する。この傾向は検出面２１の厚みによらず共通する。
【００８１】
コンダクタンスの変化率の増加および減少は検出距離の増加および減少をそれぞれ意味する。よって、図１１の黒点に示す発振周波数を基準として、ケース２の周囲に磁性金属（取付金属）が存在する場合と磁性金属が存在しない場合とで、被検出物体とコイルとの距離の変化に対するコンダクタンス変化が所定の範囲内（たとえば０±０．５％）になるように発振周波数の範囲を定めることによって、近接センサを磁性金属に取付けても検出距離の低下を防いだり、検出距離の低下を製品規格内に収めたりすることが可能になる。
【００８２】
なお、上述のように、本実施の形態において検出面２１は高い体積抵抗率を有する非磁性体（たとえばＳＵＳ材）により構成される必要がある。以下、図１２，１３を示しながら、その理由を補足して説明する。
【００８３】
図１２は、検出面２１がＳＵＳ材の場合において取付金属の有無に応じた回路定数の変化率を示す図である。
【００８４】
図１２を参照して、抵抗値Ｒ，インダクタンス値Ｌおよびコンダクタンスｇの発振周波数に対する変化率をそれぞれ示す。図１２において抵抗値Ｒの変化率とは、近接センサを取付金属に設置しない場合の抵抗値に対し、近接センサを取付金属に設置した場合の抵抗値がどれだけ変化したかを示す割合である。インダクタンス値Ｌおよびコンダクタンスｇの各々の変化率についても同様である。
【００８５】
検出面２１がＳＵＳ材の場合にはコンダクタンスｇの変化率が０％になる発振周波数発振周波数が２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの間で存在する。この傾向は図１１と同様である。
【００８６】
図１３は、検出面が樹脂の場合において取付金属の有無に応じた回路定数の変化率を示す図である。図１３を参照して、コンダクタンスｇの変化率が０％となる発振周波数が０〜１００ｋＨｚの範囲に存在しない。
【００８７】
図１２，図１３から、本実施の形態においては取付金属による検出感度への影響を防ぐため、非磁性体であり、かつ、高い体積抵抗率を有する金属を検出面に用いる必要があることが具体的に示される。
【００８８】
図１４は、本実施の形態の近接センサにおいてコンダクタンスｇの最適な範囲を示す図である。
【００８９】
図１４を参照して、被検出物体Ａが定格検出距離に位置する状態でのコンダクタンスｇの値と発振周波数との関係を示す。図１４のグラフでは、検出面２１の厚みが０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，０．８ｍｍのときのコンダクタンスｇの変化を示す。検出面２１の厚みが０．８ｍｍの場合の曲線が２つある（ｔ＝０．８，ｔ＝０．８Ｃ）が、これらの曲線は図１０と同様に、検出コイル６の線径が異なる場合のコンダクタンスの変化を示している。
【００９０】
定格検出距離でのコンダクタンスｇの値（すなわちｇ１００％の値）は、近接センサ１の検出距離を調整するために重要な値である。消費電流を抑えるためにはコンダクタンスｇの値自体が小さい方が望ましい。本実施の形態ではコンダクタンスｇの範囲は１０μＳと１５０μＳとの間に設定される。なおコンダクタンスｇの範囲は３０μＳと１００μＳとの間にあるほうがより好ましい。ここで単位μＳは「マイクロジーメンス」を示す。
【００９１】
図１４に示されるようにコンダクタンスｇの値は発振周波数に依存し、検出面２１の厚みによる影響は小さい。発振周波数は検出コイル６の線径を変えてコンダクタンスを調整することにより決定できる。その理由は、検出コイル６の線径を変えることで検出コイル６の巻数が変化してインダクタンス値が変わるためである。なお、コイルの線径を小さくすることでコンダクタンスｇを減少させ、線径を大きくすることでコンダクタンスｇを増加させることができる。
【００９２】
以上、図１０で示す検出感度、図１１で示す取付金属の影響、および図１４で示すコンダクタンスｇの範囲の各条件を満たす発振周波数（たとえば１０〜５０ｋＨｚの範囲の周波数）を選択することにより、本実施の形態の近接センサは検出距離の最大化、取付金属（鉄材）の影響の極小化（鉄材に取付けたときの影響を受けない）および消費電流の低減を実現できる。上述の解析により得られたパラメータを用いて作成した近接センサの特性を説明する。
【００９３】
図１５は、実際に作成した近接センサの測定値を示す図である。
図１５を参照して、外形の大きさがＭ１８サイズのＳＵＳケース（ケース検出面の厚みを０．８ｍｍとした）を使用した近接センサの測定値としてΔｇの値（図１５において「Δｇ」と示す）、取付金属（鉄）の有無によるΔｇの差（図１５において「０ｍｍでのｇ変化率」と示す）、および、コンダクタンスｇの値を示す。
【００９４】
この近接センサにおいては最適な発振周波数は約１２ｋＨｚに設定される。その理由は、検出感度すなわちΔｇの絶対値（約１．０％）が検出回路による検出可能な値（最低限検出可能な感度以上）であり、取付金属（鉄）の有無によるコンダクタンス変化（約０．５％）が最小値である０％に近く、定格検出距離でのコンダクタンスｇの値（約７０μＳ）が望ましい範囲（３０〜１００μＳ）内に収まるためである。
【００９５】
図１６は、取付金属の影響を実際に測定した結果を示す図である。
図１６を参照して、取付金属からの検出面２１の突き出し距離が０ｍｍの場合、取付金属による検出距離の変化率は＋３％程度と小さくなる。また、検出面２１を取付金属５１から４ｍｍだけ突き出して、その突き出し部分にＳＵＳ３０３の六角ナットを取付けた場合（図２１に示す取付状態の場合）には検出距離の変化は０％になる。このように、発振周波数を最適に設定することで近接センサ１では取付金属による検出距離への影響を低減できる。
【００９６】
図１７は、発振周波数を最適値から変化させたときの、取付金属からの検出面２１の突き出し距離によるコンダクタンス変化率を示す図である。ここで最適値とはコンダクタンス変化が突き出し距離０ｍｍのとき最小で、コンダクタンス値が所定範囲内、検出感度（Δｇ）が検出可能な範囲内になるときの発振周波数である。
【００９７】
図１７を参照して、発振周波数が最適値（この例にあっては約１２ｋＨｚ）より低くなるとコンダクタンスｇが増加して検出距離が増加する。一方、発振周波数が高くなるとコンダクタンスｇが減少して検出距離が減少する。このように図１７の結果は図１１に示すＣＡＥ解析結果の傾向と等しいといえる。図１７から、発振周波数をΔｇの絶対値が最大のときの発振周波数（この例では約１５ｋＨｚ）よりも低く設定しておけば、近接センサを取付金属（鉄）に設置した場合に、センサの取付金属からの検出面２１の突き出し距離に対して所定範囲内の変化に抑えることが可能であるから、検出距離が低下したとしても、ある程度の検出距離を確保することができる。
【００９８】
なお検出コイル６の設計の具体例を示す。本実施の形態では検出コイルの幅および高さは以下の式（４）に従って定められる。
【００９９】
（定格検出距離）×（検出コイル６の高さ）／（検出コイル６の幅）≧（所定値） …（４）
すなわち、検出距離と、検出コイル６の幅に対する検出コイル６の高さの比との積が所定値以上になるよう、検出コイル６の幅および高さが定められる。検出コイル６の「幅」および「高さ」とは図２の検出コイル６の寸法ａ，ｂをそれぞれ示す。すなわち式（４）は、Ｄ×（ｂ／ａ）≧（所定値）と示される。
【０１００】
図１８は、検出コイル６の設計値を一覧表で示す表である。
図１８を参照して、ケース外形の大きさ（サイズ規格）ごとに、検出距離（Ａ）、検出コイル６の高さ（Ｂ）、検出コイル６の幅（Ｃ）、および式（４）により得られた結果を示す。図１８では式（４）により得られた結果が７より大きいことを示す。ただし、この所定値は７以外の値でもよく、近接センサに求められる性能に応じて適切に設定できる。
【０１０１】
なお、本実施の形態の近接センサは図２に示す構成を有するものと限定されない。本実施の形態の近接センサは、たとえば以下に示すような構成を有していてもよい。
【０１０２】
図１９は、本実施の形態の近接センサの別の構成例を示す断面図である。
図１９を参照して、近接センサ１は、検出面２１と側面部２４とが一部材として構成される。
【０１０３】
以上のように、本実施の形態によれば発振回路の発振周波数を、磁性金属により構成される取付金属がケースの周囲に存在する場合と存在しない場合とで、被検出物体とコイルとの距離の変化に対するコンダクタンスの変化率の差が所定の範囲内になるように選択する。これにより近接センサを取付金属に設置してもセンサの感度低下を抑えることができるので、センサの検出面を取付金属の主表面と同一面上に配置することが可能になり、被検出物体が側方から接近した際に近接センサへの衝突を防ぐことができる。よって近接センサの故障によるセンサの交換頻度を大幅に低減できる。
【０１０４】
また、本実施の形態によれば、近接センサの側面および検出面を非磁性金属により構成する。また、その非磁性金属として比透磁率が実質的に１であり、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上である金属が用いられる。これにより、検出面を磁束が通過しやすくなるので、検出距離の低下（検出感度の低下）を防ぐことができる。なお、本実施の形態ではこのような非磁性金属としてステンレスを用いることで、ケースの強度を確保できるとともに、コスト低減が可能になる。
【０１０５】
また、本実施の形態によれば、コンダクタンスｇを１０μＳと１５０μＳとの間（より好ましくは、３０μＳと１００μＳとの間）に設定する。これにより消費電力を低減できる。また、本実施の形態によれば、取付金属の有無によるコンダクタンス変化を所定の範囲（たとえば０±０．５％）に設定することで、性能の安定した近接センサを実現することができるとともに、近接センサの生産歩留を向上させることができる。
【０１０６】
また、本実施の形態によれば、上述の発振周波数は、Δｇの絶対値が最大となるときの発振周波数よりも低くなるように定められる。これにより近接センサを取付金属に設置して検出距離が低下したとしてもある程度の検出距離を確保することができる。
【０１０７】
また、本実施の形態によれば、検出コイルの幅および高さは、コイルの幅に対するコイルの高さの比と、検出距離との積が所定値以上になるように定められる。これにより上述の近接センサを具体的に実現可能とすることができる。
【０１０８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本実施の形態の近接センサの外形図である。
【図２】図１の近接センサ１の断面を示す模式図である。
【図３】図２の回路基板１０の構成を示す図である。
【図４】図２の近接センサ１に発生する磁束を説明する図である。
【図５】図２の近接センサ１の磁場解析モデルを示す図である。
【図６】取付金属５１Ａ（ＭＥＴＡＬ１）が鉄の場合の有効電力の変化を示す図である。
【図７】取付金属５１Ａ（ＭＥＴＡＬ１）がアルミの場合の有効電力の変化を示す図である。
【図８】取付金属５１Ａが存在しない場合に被検知物体が接近したときの損失の変化を示す図である。
【図９】発振周波数に対する全体の有効電力の変化を示す図である。
【図１０】被検出物体Ａの接近に伴う検出コイル６のコンダクタンスｇの変化率を示す図である。
【図１１】取付金属５１の有無によるコンダクタンス変化を示す図である。
【図１２】検出面２１がＳＵＳ材の場合において取付金属の有無に応じた回路定数の変化率を示す図である。
【図１３】検出面が樹脂の場合において取付金属の有無に応じた回路定数の変化率を示す図である。
【図１４】本実施の形態の近接センサにおいて最適なコンダクタンスの範囲を示す図である。
【図１５】実際に作成した近接センサの測定値を示す図である。
【図１６】取付金属の影響を実際に測定した結果を示す図である。
【図１７】発振周波数を最適値から変化させたときの、取付金属からの検出面２１の突き出し距離によるコンダクタンス変化率を示す図である。
【図１８】検出コイル６の設計値を一覧表で示す表である。
【図１９】本実施の形態の近接センサの別の構成例を示す断面図である。
【図２０】近接センサの設置状態の一例を示す図である。
【図２１】近接センサの設置状態の別の例を示す図である。
【図２２】近接センサの設置状態のさらに別の例を示す図である。
【図２３】近接センサの設置状態のさらに別の例を示す図である。
【図２４】検出距離の低下を防ぐことを可能にする従来の方法の一例を示す図である。
【図２５】検出距離の低下を防ぐことを可能にする従来の方法の別の例を示す図である。
【図２６】検出距離の低下を防ぐことが可能な従来の方法のさらに別の例を示す図である。
【図２７】検出距離の低下を防ぐことが可能な従来の方法のさらに別の例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１，１０１ 近接センサ、２，１０２ ケース、５ 信号用ケーブル、６，１０６ 検出コイル、８，１０８ コア、１０ 回路基板、２１，１２１ 検出面、２３ ねじ山、２４ 側面部、３１ 発振回路、３２ 検出回路、３３ 出力回路、３４ 検波回路、３５ 比較回路、５１，５１Ａ，５１Ｂ，１５１ 取付金属、１５２，１５３ 六角ナット、１５４ 遮蔽板、１５５ リング、１５６ 補助コイル、Ａ 被検出物体、ＦＬ０〜ＦＬ４ 磁束。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属により構成される被検出物体の接近を検出する近接センサであって、
コイルと、
前記コイルに接続される発振回路と、
前記発振回路の発振動作時における前記コイルのコンダクタンスの変化により、前記被検出物体が前記コイルに接近したことを検出する検出回路と、
非磁性金属により構成され、少なくとも前記コイルを収納するケースとを備え、
前記発振回路の発振周波数は、前記ケースの周囲に磁性金属が存在する場合と前記磁性金属が存在しない場合とで、前記被検出物体と前記コイルとの距離の変化に対する前記コンダクタンスの変化率の差が、所定の範囲に収まるように設定される、近接センサ。
【請求項２】
前記ケースは、
前記被検出物体と前記コイルとの間に設けられる検出面を含み、
前記検出面は、比透磁率が実質的に１であり、かつ、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上の金属により構成される、請求項１に記載の近接センサ。
【請求項３】
前記検出面の材質は、ステンレスである、請求項２に記載の近接センサ。
【請求項４】
前記ケースは、
少なくとも前記検出面と前記コイルとを囲んで設けられる側面部をさらに含み、
前記側面部は、比透磁率が実質的に１であり、かつ、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上の金属により構成される、請求項２または３に記載の近接センサ。
【請求項５】
前記側面部の材質は、ステンレスである、請求項４に記載の近接センサ。
【請求項６】
前記コンダクタンスの変化率は、以下の式により表わされる、請求項１に記載の近接センサ：
（ｇ１１０％−ｇ１００％）／ｇ１００％×１００
ただし、ｇ１００％は、前記被検出物体と前記近接センサとの検出距離が所定の距離のときの前記コンダクタンスの値であり、ｇ１１０％は、前記検出距離が前記所定の距離の１．１倍のときの前記コンダクタンスの値である。
【請求項７】
前記ｇ１００％の値は、１０マイクロジーメンスと１５０マイクロジーメンスとの間の値である、請求項６に記載の近接センサ。
【請求項８】
前記ｇ１００％の値は、３０マイクロジーメンスと１００マイクロジーメンスとの間の値である、請求項７に記載の近接センサ。
【請求項９】
前記コイルの幅および高さは、前記コイルの幅に対する前記コイルの高さの比と、前記所定の距離との積が所定値以上になるように定められる、請求項６に記載の近接センサ。
【請求項１０】
前記発振周波数は、前記式に従う前記コンダクタンスの変化率の絶対値が最大となるときの周波数よりも低くなるように設定される、請求項６に記載の近接センサ。
【請求項１】
金属により構成される被検出物体の接近を検出する近接センサであって、
コイルと、
前記コイルに接続される発振回路と、
前記発振回路の発振動作時における前記コイルのコンダクタンスの変化により、前記被検出物体が前記コイルに接近したことを検出する検出回路と、
非磁性金属により構成され、少なくとも前記コイルを収納するケースとを備え、
前記発振回路の発振周波数は、前記ケースの周囲に磁性金属が存在する場合と前記磁性金属が存在しない場合とで、前記被検出物体と前記コイルとの距離の変化に対する前記コンダクタンスの変化率の差が、所定の範囲に収まるように設定される、近接センサ。
【請求項２】
前記ケースは、
前記被検出物体と前記コイルとの間に設けられる検出面を含み、
前記検出面は、比透磁率が実質的に１であり、かつ、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上の金属により構成される、請求項１に記載の近接センサ。
【請求項３】
前記検出面の材質は、ステンレスである、請求項２に記載の近接センサ。
【請求項４】
前記ケースは、
少なくとも前記検出面と前記コイルとを囲んで設けられる側面部をさらに含み、
前記側面部は、比透磁率が実質的に１であり、かつ、体積抵抗率が７２×１０-8（Ω・ｍ）以上の金属により構成される、請求項２または３に記載の近接センサ。
【請求項５】
前記側面部の材質は、ステンレスである、請求項４に記載の近接センサ。
【請求項６】
前記コンダクタンスの変化率は、以下の式により表わされる、請求項１に記載の近接センサ：
（ｇ１１０％−ｇ１００％）／ｇ１００％×１００
ただし、ｇ１００％は、前記被検出物体と前記近接センサとの検出距離が所定の距離のときの前記コンダクタンスの値であり、ｇ１１０％は、前記検出距離が前記所定の距離の１．１倍のときの前記コンダクタンスの値である。
【請求項７】
前記ｇ１００％の値は、１０マイクロジーメンスと１５０マイクロジーメンスとの間の値である、請求項６に記載の近接センサ。
【請求項８】
前記ｇ１００％の値は、３０マイクロジーメンスと１００マイクロジーメンスとの間の値である、請求項７に記載の近接センサ。
【請求項９】
前記コイルの幅および高さは、前記コイルの幅に対する前記コイルの高さの比と、前記所定の距離との積が所定値以上になるように定められる、請求項６に記載の近接センサ。
【請求項１０】
前記発振周波数は、前記式に従う前記コンダクタンスの変化率の絶対値が最大となるときの周波数よりも低くなるように設定される、請求項６に記載の近接センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２００７−１４１７６２（Ｐ２００７−１４１７６２Ａ）
【公開日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３６９６３（Ｐ２００５−３３６９６３）
【出願日】平成１７年１１月２２日（２００５．１１．２２）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２２日（２００５．１１．２２）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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