JP2003273718A - Proximity sensor - Google Patents

Proximity sensor

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JP2003273718A
JP2003273718A JP2002069677A JP2002069677A JP2003273718A JP 2003273718 A JP2003273718 A JP 2003273718A JP 2002069677 A JP2002069677 A JP 2002069677A JP 2002069677 A JP2002069677 A JP 2002069677A JP 2003273718 A JP2003273718 A JP 2003273718A
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exciting coil
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Tomoshi Motouji
知史 元氏
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize high sensitivity of a proximity sensor. <P>SOLUTION: An MI (magnetic impedance) element 1 is arranged inside an exciting coil 2 and the magnetic flux T of an eddy current from a metallic body F is detected by the MI element 1. The oscillation frequency of an exciting oscillation circuit 5 is set so that eddy-current magnetic flux T of which the phase is delayed by 90° from exciting magnetic flux S. A timing control circuit 7 generates a sampling pulse in a prescribed period of which the center is a point of time that an exciting current from the circuit 5 becomes zero. Outputs from the MI element 1 are integrated in a pulse output period by the operation of a gate circuit 9 and a positive/negative sampling/holding circuit 10 corresponding to the sampling pulse. The integrated result is accumulated in a differential amplifier circuit 11 and compared with a prescribed threshold by a comparator 12. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、金属体を非接触
で検出してオン信号を出力したり、金属体との間の距離
を検出するなどの用途に使用される近接センサに関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a proximity sensor used for applications such as non-contact detection of a metal body to output an ON signal and detection of a distance to the metal body.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に近接センサは、LC共振回路を具
備する高周波発振回路を検出部として、この発振回路の
発振振幅の変化に基づき金属体の有無や金属体までの距
離を検出するようにしている。さらに感度を高くして、
より遠くの金属体を検知できるようにする必要がある場
合には、差動コイル方式の近接センサが使用される。
2. Description of the Related Art Generally, a proximity sensor uses a high frequency oscillation circuit having an LC resonance circuit as a detection section to detect the presence or absence of a metal body and the distance to the metal body based on the change in the oscillation amplitude of the oscillation circuit. There is. Further increase the sensitivity,
A differential coil type proximity sensor is used when it is necessary to be able to detect a metal object that is farther away.

【0003】図12は、上記差動コイル方式の近接セン
サの構成を示す。このセンサの検出部は、高周波を発振
する発振回路33と、この発振回路33に接続された励
磁コイル30と、この励磁コイル30の前後に等距離を
おいて配備された2個の検出コイル31,32とにより
構成される。前記2個の検出コイル31,32は差動接
続されており、それぞれのコイル31,32の出力端は
処理回路34に入力される。なお、図中のFは検出対象
の金属体を示す。
FIG. 12 shows the structure of the differential coil type proximity sensor. The detection unit of this sensor includes an oscillating circuit 33 that oscillates a high frequency, an exciting coil 30 that is connected to the oscillating circuit 33, and two detecting coils 31 that are arranged before and after the exciting coil 30 at equal distances. , 32. The two detection coils 31 and 32 are differentially connected, and the output ends of the coils 31 and 32 are input to the processing circuit 34. In addition, F in a figure shows the metal object of detection object.

【0004】上記構成において、各検出コイル31,3
2は励磁コイル30に対して同じ距離をおいて配備され
るので、励磁コイル30から発生する磁束S(以下、こ
れを「励磁磁束S」という。)によって、各検出コイル
31,32に同じ大きさの電圧が誘起される。一方、検
出領域内に金属体Fが入ると、この金属体Fに励磁磁束
Sが作用して渦電流が発生する。この渦電流による磁束
T(以下、「渦電流磁束T」という。)も各検出コイル
31,32に作用するが、各検出コイル31,32は金
属体Fに対してそれぞれ異なる距離をとるため、渦電流
磁束Tによって各検出コイル31,32に誘起される電
圧には差が生じることになる。
In the above structure, each detection coil 31, 3
Since 2 is arranged at the same distance with respect to the exciting coil 30, the magnetic flux S generated from the exciting coil 30 (hereinafter, referred to as "exciting magnetic flux S") causes the detection coils 31 and 32 to have the same size. Voltage is induced. On the other hand, when the metal body F enters the detection area, the exciting magnetic flux S acts on the metal body F to generate an eddy current. The magnetic flux T due to this eddy current (hereinafter, referred to as “eddy current magnetic flux T”) also acts on each of the detection coils 31 and 32, but since each detection coil 31 and 32 has a different distance from the metal body F, The eddy current magnetic flux T causes a difference in the voltages induced in the detection coils 31 and 32.

【0005】前記処理回路34は、各検出コイル31,
32間の差動電圧を検出する検波回路や、検出された電
圧を所定のしきい値と比較するためのコンパレータなど
を含み、このコンパレータからの出力に基づき金属体の
有無を示す信号を出力する。またセンサの種類によって
は、前記検出コイル31,32間の差動電圧に応じて距
離を示す所定レベルの電圧信号を生成し、これを検出信
号として出力する場合もある。
The processing circuit 34 includes the detection coils 31,
It includes a detection circuit for detecting the differential voltage between 32 and a comparator for comparing the detected voltage with a predetermined threshold value, and outputs a signal indicating the presence or absence of a metal body based on the output from this comparator. . Further, depending on the type of sensor, a voltage signal of a predetermined level indicating the distance may be generated according to the differential voltage between the detection coils 31 and 32, and this may be output as a detection signal.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】図12の構成におい
て、金属体Fから発生する渦電流磁束Tは、励磁磁束S
に比べて格段に小さなものである。特に金属体Fが遠く
にある場合には、渦電流磁束Tが検出コイル31,32
に届きにくくなるため、この渦電流磁束Tによる誘起電
圧は小さくなる。このため渦電流磁束T以外の要因によ
る検出コイル31,32間の電位差を可能な限り小さく
し、また各検出コイル31,32の電圧バランスをと
り、かつ残留電圧を十分に小さくする必要がある。
In the structure of FIG. 12, the eddy current magnetic flux T generated from the metal body F is the exciting magnetic flux S.
It is much smaller than. Especially when the metal body F is far away, the eddy current magnetic flux T is detected by the detection coils 31, 32.
Therefore, the induced voltage due to the eddy current magnetic flux T becomes small. Therefore, it is necessary to minimize the potential difference between the detection coils 31 and 32 due to factors other than the eddy current magnetic flux T, balance the voltage between the detection coils 31 and 32, and sufficiently reduce the residual voltage.

【0007】しかしながらコイルのインダクタンスには
微小な差があるため、上記のように励磁コイル30に対
する検出コイル31,32の距離を同じにしても、励磁
磁束Sによって各検出コイル31,32に誘起される実
際の電圧には差が生じる。処理回路34では、一般に、
各検出コイル31,32による差動信号を増幅してから
処理するので、励磁磁束Sによる誘起電圧の差が大きく
なると、渦電流磁束Tに基づく電位差の検出が困難にな
る場合がある。
However, since there is a slight difference in the inductance of the coils, even if the distance between the detecting coils 31 and 32 with respect to the exciting coil 30 is the same as described above, the exciting magnetic flux S induces in the respective detecting coils 31 and 32. There will be a difference in the actual voltage. In the processing circuit 34, in general,
Since the differential signals from the detection coils 31 and 32 are amplified and then processed, if the difference in induced voltage due to the exciting magnetic flux S becomes large, it may be difficult to detect the potential difference based on the eddy current magnetic flux T.

【0008】また上記の構成では、検出コイル31,3
2と励磁コイル30との距離が近いため、コイル間の静
電結合による電圧が発生する。このため検出コイル3
1,32間の電圧バランスをとることが難しく、残留電
圧を小さくするのも困難である。また微小な渦電流磁束
Tを検出するためには、検出コイル31,32を大きく
する必要がある。
Further, in the above configuration, the detection coils 31, 3 are
Since the distance between 2 and the exciting coil 30 is short, a voltage is generated by electrostatic coupling between the coils. Therefore, the detection coil 3
It is difficult to balance the voltage between 1 and 32, and it is also difficult to reduce the residual voltage. Further, in order to detect the minute eddy current magnetic flux T, it is necessary to make the detection coils 31 and 32 large.

【0009】さらに、単一のコイルで検出を行うタイプ
の近接センサであれば、コイルにE型やT型の断面のコ
アを使用することにより、側方や背後に励磁磁束Sが流
れるのを制限して検出面側への磁束の指向性を高めるこ
とができるが、上記の差動コイル方式のセンサでは、励
磁コイル30の前後両方向に検出コイル31,32を配
備しなければならないため、このようなコアを用いるこ
とは不可能である。
Further, in the case of a proximity sensor of the type which detects with a single coil, by using a core having an E-shaped or T-shaped cross section for the coil, the exciting magnetic flux S is prevented from flowing laterally or rearward. Although it is possible to limit the directivity of the magnetic flux to the detection surface side by limiting, in the above-mentioned differential coil type sensor, since the detection coils 31 and 32 must be arranged in both the front and rear directions of the exciting coil 30, It is impossible to use such a core.

【0010】このように従来の差動コイル方式のセンサ
では、検出部が大型化する上、構造上の制約を受け、ま
た検出コイル間の電圧バランスをとるのが困難であるな
どの欠点があり、十分な感度を得られないという問題が
ある。
As described above, the conventional differential coil type sensor has drawbacks in that the size of the detecting portion is increased, the structure is restricted, and it is difficult to balance the voltage between the detecting coils. However, there is a problem that sufficient sensitivity cannot be obtained.

【0011】この発明は上記問題に着目してなされたも
ので、磁気抵抗素子を用いて渦電流磁束を検出するとと
もに、この渦電流磁束を励磁磁束の影響を受けにくいタ
イミングで検出するように調整することにより、近接セ
ンサの高感度化を実現することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problem, and adjusts so as to detect an eddy current magnetic flux by using a magnetoresistive element and to detect the eddy current magnetic flux at a timing at which the influence of the exciting magnetic flux is less likely to occur. By doing so, it is an object to realize high sensitivity of the proximity sensor.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】この発明にかかる近接セ
ンサは、検出対象の金属体に励磁磁束を作用させるため
の励磁コイルと、前記励磁コイルに所定の位置関係をも
って配置される磁気インピーダンス素子と、前記励磁コ
イルおよび磁気インピーダンス素子にそれぞれ接続され
る高周波発振回路と、前記励磁コイルに流れる電流が反
転する時点を基準に磁気インピーダンス素子からの出力
をサンプリングして金属体検出のための信号処理を実行
する信号処理部とを具備する。
A proximity sensor according to the present invention comprises an exciting coil for causing an exciting magnetic flux to act on a metal body to be detected, and a magnetic impedance element arranged in the exciting coil in a predetermined positional relationship. A high-frequency oscillation circuit connected to each of the exciting coil and the magnetic impedance element, and a signal processing for detecting a metal body by sampling an output from the magnetic impedance element with reference to a time point when a current flowing through the exciting coil is reversed. And a signal processing unit for executing.

【0013】磁気インピーダンス素子(以下、「MI素
子」という。)には、高周波電流を通電している状態下
で、外部磁界により透磁率が変化し、その影響によって
インピーダンスが大きく変化するという特性がある。こ
の発明にかかる近接センサは、前記した検出コイルに代
えて、このMI素子を渦電流磁束の検出手段として使用
するようにしたものである。
The magneto-impedance element (hereinafter referred to as "MI element") has a characteristic that the magnetic permeability changes due to an external magnetic field under the condition that a high-frequency current is applied, and the impedance causes a large change. is there. In the proximity sensor according to the present invention, this MI element is used as an eddy current magnetic flux detecting means in place of the above-mentioned detection coil.

【0014】前記MI素子は、非磁性の基板上に一体化
された薄膜素子であり、この素子および基板は、検出コ
イルに比べて格段に小さくすることができる。したがっ
て、たとえば、励磁コイルの内側にMI素子の基板を配
置することができる。ただしMI素子の配置位置はこれ
に限らず、励磁コイルに隣接あるいは励磁コイルの前方
に配置することもできる。
The MI element is a thin film element integrated on a non-magnetic substrate, and the element and the substrate can be made much smaller than the detection coil. Therefore, for example, the substrate of the MI element can be arranged inside the exciting coil. However, the arrangement position of the MI element is not limited to this, and the MI element can be arranged adjacent to the exciting coil or in front of the exciting coil.

【0015】MI素子は、その長手方向を近接センサの
検出面(たとえば、近接センサ本体を構成するケース体
の端面となる。)に直交させた状態、言い換えれば、検
査対象の金属体からの渦電流磁束がセンサの検出面に作
用する方向にMI素子の長手方向を対応させた状態で配
置するのが望ましい。これは、MI素子では、長手方向
における磁気への感度が高いためである。
The MI element has its longitudinal direction orthogonal to the detection surface of the proximity sensor (for example, the end surface of the case body constituting the proximity sensor body), in other words, a vortex from the metal body to be inspected. It is desirable to arrange the MI element so that the longitudinal direction of the MI element corresponds to the direction in which the current magnetic flux acts on the detection surface of the sensor. This is because the MI element has high sensitivity to magnetism in the longitudinal direction.

【0016】高周波発振回路は、励磁コイル,MI素子
にそれぞれ個別に設けられる。これらの高周波発振回路
は、それぞれ励磁コイル,MI素子に高周波電流を流す
ためのものである。信号処理部は、MI素子のインピー
ダンス変化を電圧として取り出すための負荷抵抗,この
電圧信号の検波回路,前記励磁コイルに与えられる高周
波電流の極性変化を検出しつつ、所定のタイミングでサ
ンプリングパルスを発生させるタイミング制御回路,前
記サンプリングパルスに応じて検波回路からの出力を取
り込むゲート回路などを含むものとすることができる。
さらに処理部には、サンプリングされた信号を増幅また
は積分する回路や、この回路による処理後の信号を所定
のしきい値と比較するコンパレータなどを含ませること
ができる。または、増幅後の信号を距離を示す電圧信号
に変換して出力する回路を配備することもできる。よっ
て、上記した「金属体検出のための信号処理」とは、金
属体の有無または金属体までの距離の少なくともいずれ
か一方を実行するための信号処理ということができる。
また信号処理部にマイクロプロセッサを組み込んで、上
記各回路による主要な処理をディジタル信号処理として
実行することもできる。
The high-frequency oscillator circuit is individually provided for the exciting coil and the MI element. These high-frequency oscillation circuits are for supplying a high-frequency current to the exciting coil and the MI element, respectively. The signal processing unit generates a sampling pulse at a predetermined timing while detecting a load resistance for extracting the impedance change of the MI element as a voltage, a detection circuit of this voltage signal, and a polarity change of the high frequency current given to the exciting coil. It may include a timing control circuit for controlling, a gate circuit for taking in the output from the detection circuit in response to the sampling pulse, and the like.
Further, the processing unit can include a circuit for amplifying or integrating the sampled signal, a comparator for comparing the signal processed by the circuit with a predetermined threshold value, and the like. Alternatively, a circuit for converting the amplified signal into a voltage signal indicating the distance and outputting the voltage signal may be provided. Therefore, the above-mentioned “signal processing for detecting a metal body” can be referred to as signal processing for executing at least one of the presence or absence of the metal body and the distance to the metal body.
Further, by incorporating a microprocessor in the signal processing unit, the main processing by each of the above circuits can be executed as digital signal processing.

【0017】上記構成の近接センサによれば、励磁コイ
ル,MI素子の双方にそれぞれ高周波電流が流れるの
で、励磁磁束を発生させた上で、この励磁磁束の作用を
受けた金属体からの渦電流磁束をMI素子に作用させ
て、その磁束の大きさに応じたインピーダンスの変化を
生じさせることが可能となる。ただしMI素子には、励
磁コイルからの励磁磁束も作用するので、この励磁磁束
による影響の小さい信号を取り出して処理するのが望ま
しい。この発明の信号処理部は、励磁コイルに流れる電
流が反転する時点を基準としてMI素子からの出力をサ
ンプリングするので、励磁磁束の大きさがゼロまたはゼ
ロに近いときのMI素子からの出力を用いて金属体の検
出処理を行うことができる。よって励磁磁束の影響の少
ない信号をサンプリングして高精度の検出処理を行うこ
とができる。
According to the proximity sensor having the above structure, since a high-frequency current flows through both the exciting coil and the MI element, an exciting magnetic flux is generated, and then an eddy current from the metal body which is affected by the exciting magnetic flux. It is possible to cause the magnetic flux to act on the MI element and to cause the impedance to change according to the magnitude of the magnetic flux. However, since the exciting magnetic flux from the exciting coil also acts on the MI element, it is desirable to extract and process a signal that is less affected by the exciting magnetic flux. Since the signal processing unit of the present invention samples the output from the MI element with reference to the time point at which the current flowing through the exciting coil is reversed, the output from the MI element when the magnitude of the exciting magnetic flux is zero or close to zero is used. It is possible to detect the metal body. Therefore, it is possible to perform a highly accurate detection process by sampling a signal that is less affected by the exciting magnetic flux.

【0018】またMI素子およびこの素子が搭載される
基板は薄形であるので、センサ本体を小型化することが
できる。また励磁コイルの背後に他のコイルなどを配備
しなくともよいから、励磁磁束の指向性を高めるために
フェライトコアを使用することができ、感度を高めるこ
とが可能となる。
Since the MI element and the substrate on which this element is mounted are thin, the sensor body can be miniaturized. Further, since it is not necessary to dispose another coil or the like behind the exciting coil, the ferrite core can be used to enhance the directivity of the exciting magnetic flux, and the sensitivity can be enhanced.

【0019】上記近接センサの好ましい態様では、励磁
磁束を金属体に作用させたとき、この金属体に生じる渦
電流磁束のピークと前記励磁コイルに流れる電流がゼロ
になる時点とのずれが所定時間内になるように、前記励
磁コイルに接続される高周波発振回路の発振周波数を調
整する。
In a preferred mode of the proximity sensor, when an exciting magnetic flux is applied to a metal body, the difference between the peak of the eddy current magnetic flux generated in the metal body and the time when the current flowing through the exciting coil becomes zero is a predetermined time. The oscillating frequency of the high-frequency oscillating circuit connected to the exciting coil is adjusted so as to be inside.

【0020】一般に渦電流磁束には、励磁磁束に対し、
その励磁磁束の周波数に応じた角度だけ位相が遅れると
いう特性がある。ここで前記発振周波数の調整によっ
て、この位相の差が90度になるようにすると、励磁コ
イルに流れる電流がゼロとなる時点と渦電流磁束にピー
クが現れる時点とが一致する。したがってこの時点での
MI素子からの出力をサンプリングすることにより、励
磁磁束の影響を全く受けない、渦電流磁束のみの作用に
よるインピーダンスの変化を検出することができる。ま
た渦電流磁束による信号成分を、最も効率良くサンプリ
ングすることができる。
Generally, the eddy current magnetic flux is
There is a characteristic that the phase is delayed by an angle corresponding to the frequency of the exciting magnetic flux. If the phase difference is adjusted to 90 degrees by adjusting the oscillation frequency, the time when the current flowing through the exciting coil becomes zero and the time when the peak appears in the eddy current magnetic flux. Therefore, by sampling the output from the MI element at this time, it is possible to detect the change in impedance due to the action of only the eddy current magnetic flux, which is not affected by the exciting magnetic flux at all. Further, the signal component due to the eddy current magnetic flux can be sampled most efficiently.

【0021】よって上記の態様によれば、90度に近似
する位相差が得られるように励磁コイル用の発振周波数
を調整し、励磁コイルに流れる電流が反転する時点を基
準にMI素子からの出力をサンプリングするので、励磁
磁束の影響を大幅に除去することができる。また渦電流
磁束による信号成分を効率良くサンプリングして高精度
の検出処理を行うことができる。なお、上記の励磁磁束
と渦電流磁束との位相の関係は、金属体の透磁率や導電
率によっても変化するので、上記態様の近接センサに
は、さらに励磁コイル用の発振周波数を調整する手段を
設けてもよい。
Therefore, according to the above aspect, the oscillation frequency for the exciting coil is adjusted so that a phase difference close to 90 degrees is obtained, and the output from the MI element is based on the time point when the current flowing through the exciting coil is reversed. Is sampled, the influence of the exciting magnetic flux can be largely removed. Further, the signal component due to the eddy current magnetic flux can be efficiently sampled to perform highly accurate detection processing. Since the relationship between the phases of the exciting magnetic flux and the eddy current magnetic flux also changes depending on the magnetic permeability and conductivity of the metal body, the proximity sensor of the above aspect further includes means for adjusting the oscillation frequency for the exciting coil. May be provided.

【0022】さらに好ましい態様の近接センサでは、前
記MI素子の近傍には、この素子に対して所定のバイア
ス磁界を設定するための磁石またはコイルが配備され
る。また励磁磁束を金属体に作用させたとき、励磁コイ
ルに流れる電流の極性が反転する時点を中心とする所定
期間における極性が一定となるような渦電流磁束が前記
金属体から発生するように、励磁コイルに接続される高
周波発振回路の発振周波数が調整される。さらに信号処
理部は、前記期間内におけるMI素子からの出力信号を
サンプリングして積分した信号を用いて金属体の検出処
理を実行するように構成される。
In a further preferred embodiment of the proximity sensor, a magnet or coil for setting a predetermined bias magnetic field with respect to this MI element is provided near the MI element. When an exciting magnetic flux is applied to the metal body, an eddy current magnetic flux having a constant polarity in a predetermined period centered around the time when the polarity of the current flowing through the exciting coil is reversed is generated from the metal body. The oscillation frequency of the high frequency oscillation circuit connected to the excitation coil is adjusted. Further, the signal processing unit is configured to perform the detection processing of the metal body by using the signal obtained by sampling and integrating the output signal from the MI element within the period.

【0023】上記の態様によれば、MI素子にバイアス
磁界をかけることにより、MI素子に渦電流磁束が作用
してインピーダンスが変化した場合に、作用した磁束の
極性に応じた正または負の電圧信号を取り出すことが可
能となる。また上記の態様によれば、励磁磁束がゼロと
なる時点を中心にする期間においては、渦電流磁束が正
または負のいずれかの極性を持つ一方で、励磁磁束は正
負両極に対してそれぞれ同じ割合で同じ量ずつ変化する
ようになる。この態様では、上記期間内のMI素子から
の出力をサンプリングして積分するので、励磁磁束につ
いては、正負の信号成分が相殺されて積分結果がゼロに
なり、また渦電流磁束については、期間内の信号成分が
累積されて大きな値を得ることができる。したがってこ
の積分結果を用いて金属体の検出処理を行うことによ
り、励磁磁束の影響を殆ど受けることなく、高精度の検
出処理を行うことができる。
According to the above aspect, when a bias magnetic field is applied to the MI element, when an eddy current magnetic flux acts on the MI element to change the impedance, a positive or negative voltage depending on the polarity of the applied magnetic flux. It becomes possible to take out the signal. According to the above aspect, in the period centered around the time when the exciting magnetic flux becomes zero, the eddy current magnetic flux has either positive or negative polarity, while the exciting magnetic flux is the same for both positive and negative polarities. The rate will change by the same amount. In this mode, since the output from the MI element within the above period is sampled and integrated, the positive and negative signal components of the excitation magnetic flux are canceled and the integration result becomes zero, and the eddy current magnetic flux is reduced within the period. A large value can be obtained by accumulating the signal components of. Therefore, by performing the detection processing of the metal body using the integration result, it is possible to perform the detection processing with high accuracy without being substantially affected by the exciting magnetic flux.

【0024】なお上記の態様によれば、各サンプリング
期間における積分結果には、正負の極性が交互に現れる
が、極性は考慮せずに、積分結果の大きさに基づいて金
属体の有無や距離を判別すれば良い。また積分結果が負
の場合は正に反転させた上で、数回分のサンプリング期
間における積分結果を順に累積し、その累積値を用いて
上記の判別処理を行うようにしてもよい。
According to the above aspect, positive and negative polarities alternately appear in the integration result in each sampling period, but the polarity is not taken into consideration, and the presence or absence of the metal body and the distance are determined based on the size of the integration result. Should be determined. Further, if the integration result is negative, it may be inverted to be positive, and then the integration results in several sampling periods may be sequentially accumulated, and the above determination processing may be performed using the accumulated value.

【0025】さらにこの発明では、検出対象の金属体に
励磁磁束を作用させるための励磁コイルと、前記励磁コ
イルを挟んで対称な位置に配備される一対のMI素子
と、前記励磁コイルに接続される第1の高周波発振回路
と、各MI素子に接続される第2の高周波発振回路と、
前記励磁コイルに流れる電流が反転する時点を基準に各
MI素子からの出力の差分信号をサンプリングして金属
体検出のための信号処理を実行する信号処理部とを具備
する近接センサを提供する。
Further, according to the present invention, an exciting coil for causing an exciting magnetic flux to act on the metal body to be detected, a pair of MI elements arranged symmetrically with the exciting coil sandwiched therebetween, and connected to the exciting coil. A first high-frequency oscillator circuit, and a second high-frequency oscillator circuit connected to each MI element,
There is provided a proximity sensor including: a signal processing unit that performs signal processing for detecting a metal body by sampling a differential signal of an output from each MI element with reference to a time point when a current flowing through the exciting coil is reversed.

【0026】上記構成において、各MI素子は、前記し
た差動コイル方式の近接センサにおける検出コイルと同
様に、検出対象の金属体に対する距離が異なる位置に配
備される。したがってこれらMI素子からの出力の差分
をとることにより、検出対象の金属体の位置に応じてレ
ベルが異なる信号を得ることができる。ここで信号処理
部は、励磁コイルに流れる電流が反転する時点を基準に
各MI素子からの出力の差分信号をサンプリングするの
で、励磁磁束による影響の少ない信号をサンプリングす
ることができる。
In the above structure, each MI element is arranged at a position different in distance from the metal body to be detected, like the detection coil in the proximity sensor of the differential coil type. Therefore, by taking the difference between the outputs from these MI elements, it is possible to obtain a signal having a different level depending on the position of the metal body to be detected. Here, since the signal processing unit samples the differential signal of the output from each MI element with reference to the time point at which the current flowing through the exciting coil is reversed, it is possible to sample a signal that is less affected by the exciting magnetic flux.

【0027】また前記したように、MI素子はコイルよ
りも小さな薄膜素子として形成されるので、励磁コイル
に対して十分な距離をおいて配置することができ、コイ
ルとの間の静電容量を小さくすることができる。またM
I素子は一定のスペックに基づいて製造されるので、個
々のMI素子間の出力のばらつきは小さくなる。よって
前記差分信号における個体差の成分を小さくすることが
でき、精度の高い検出処理を行うことができる。
Further, as described above, since the MI element is formed as a thin film element smaller than the coil, it can be arranged with a sufficient distance from the exciting coil, and the capacitance between the MI element and the coil can be increased. Can be made smaller. Also M
Since the I element is manufactured on the basis of a fixed specification, variations in output among individual MI elements are small. Therefore, the component of the individual difference in the difference signal can be reduced, and highly accurate detection processing can be performed.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】図1は、この発明の一実施例にか
かる近接センサの構成を示す。この近接センサは、励磁
コイル2と、MI素子1とによる検出部を具備する。励
磁コイル2,MI素子1は、それぞれ高周波を発振する
発振回路5,6(図中、「励磁用発振回路5」,「MI
駆動用発振回路6」として示す。)に接続される。励磁
コイル2は、センサの検出面(図示しないセンサ本体を
構成するケース体の端面に相当する。)に対して垂直と
なる方向に磁束が鎖交するように配備される。
1 shows the structure of a proximity sensor according to an embodiment of the present invention. The proximity sensor includes a detection unit including an exciting coil 2 and an MI element 1. The excitation coil 2 and the MI element 1 are respectively composed of oscillation circuits 5 and 6 that oscillate high frequencies (in the figure, "excitation oscillation circuit 5" and "MI").
Driving oscillator circuit 6 ”. ) Is connected to. The exciting coil 2 is arranged so that the magnetic flux links in a direction perpendicular to the detection surface of the sensor (corresponding to the end surface of the case body that forms the sensor body (not shown)).

【0029】MI素子1は、ガラス板などの非磁性の基
板3上に形成される。この基板3は、MI素子1の長さ
方向を検出対象の渦電流磁束Tの方向に沿わせた状態
で、励磁コイル2の内側に挿入される。
The MI element 1 is formed on a non-magnetic substrate 3 such as a glass plate. This substrate 3 is inserted inside the exciting coil 2 with the length direction of the MI element 1 aligned with the direction of the eddy current magnetic flux T to be detected.

【0030】前記励磁用発振回路5,MI駆動用発振回
路6は、この近接センサの信号処理回路4に含まれる。
このほか信号処理回路4には、MI素子1からの出力を
処理して金属体Fの有無を示す信号(以下、「物体有無
信号」という。)を出力するための構成として、タイミ
ング制御回路7,検波回路8,ゲート回路9,正負サン
プルホールド回路10,差動増幅回路11,コンパレー
タ12,出力回路13などが組み込まれる。
The excitation oscillation circuit 5 and the MI driving oscillation circuit 6 are included in the signal processing circuit 4 of the proximity sensor.
In addition, the signal processing circuit 4 has a configuration for processing the output from the MI element 1 and outputting a signal indicating the presence / absence of the metal body F (hereinafter, referred to as “object presence signal”) as a timing control circuit 7. , A detection circuit 8, a gate circuit 9, a positive / negative sample hold circuit 10, a differential amplifier circuit 11, a comparator 12, an output circuit 13 and the like are incorporated.

【0031】前記励磁用発振回路5には、励磁コイル2
への高周波電流(以下、「励磁電流」という。)の位相
を電圧として検出するための抵抗14が接続される。こ
の抵抗14により検出された電圧信号はタイミング制御
回路7に入力される。このタイミング制御回路7には、
前記電圧信号の極性を判別するための微分回路や、この
極性の変化に基づきサンプリングパルスを生成するタイ
ミング発生回路などが含まれる。
The exciting oscillation circuit 5 includes an exciting coil 2
A resistor 14 for detecting the phase of a high-frequency current (hereinafter, referred to as “excitation current”) to the circuit as a voltage is connected. The voltage signal detected by the resistor 14 is input to the timing control circuit 7. In this timing control circuit 7,
A differentiation circuit for determining the polarity of the voltage signal, a timing generation circuit for generating a sampling pulse based on the change in the polarity, and the like are included.

【0032】前記検波回路8は、MI素子1の出力端に
接続される。この接続経路には、MI素子1の基準のイ
ンピーダンスに相当する負荷抵抗15がかけられる。こ
の抵抗15による分圧の作用によって、検波回路8に
は、MI素子1のインピーダンスの変化に相当する電圧
が与えられる。検波回路8は、この電圧信号を振幅変調
し、処理後の信号をゲート回路9へと出力する。
The detection circuit 8 is connected to the output terminal of the MI element 1. A load resistance 15 corresponding to the reference impedance of the MI element 1 is applied to this connection path. A voltage corresponding to a change in impedance of the MI element 1 is applied to the detection circuit 8 by the effect of the voltage division by the resistor 15. The detection circuit 8 amplitude-modulates this voltage signal and outputs the processed signal to the gate circuit 9.

【0033】この実施例のタイミング制御回路7は、前
記励磁電流のレベルがゼロとなる時点を中心とし、この
電流の極性が正から負、または負から正へと反転する所
定期間内に、極性が変化する方向とは反対の極性を持た
せたサンプリングパルスを生成して出力する。すなわち
励磁電流が正から負に変化する場合には正極のパルス
が、励磁電流が負から正に変換する場合には負極のパル
スが、それぞれ生成されるので、正負の各サンプリング
パルスが交互に出力されることになる。
The timing control circuit 7 of this embodiment is centered around the time when the level of the exciting current becomes zero, and the polarity of this current is reversed within a predetermined period during which the polarity is reversed from positive to negative or from negative to positive. Generates and outputs a sampling pulse having a polarity opposite to the direction in which changes. That is, when the exciting current changes from positive to negative, a positive pulse is generated, and when the exciting current is changed from negative to positive, a negative pulse is generated, so positive and negative sampling pulses are output alternately. Will be done.

【0034】前記サンプリングパルスは、ゲート回路9
および正負サンプルホールド回路10に与えられる。ゲ
ート回路9は、サンプリングパルスに応じて検波回路8
からの出力を正負サンプルホールド回路10へと通過さ
せる。正負サンプルホールド回路10には、正極のサン
プリングパルスに応じて動作する回路と負極のサンプリ
ングパルスに応じて動作する回路とが含まれる。これら
の回路には積分回路が含まれており、前記ゲート回路9
を通過した信号をサンプリングパルスに応じて積分した
後、その積分結果を差動増幅回路11に出力する。な
お、この実施例の正負サンプルホールド回路10は、前
記積分結果をつぎの同極のサンプリングパルスが与えら
れるまで保持しながら、そのホールドした信号を差動増
幅回路11に出力するようにしている。
The sampling pulse is supplied to the gate circuit 9
And the positive and negative sample and hold circuit 10. The gate circuit 9 detects the detection circuit 8 according to the sampling pulse.
To pass to the positive / negative sample hold circuit 10. The positive / negative sample hold circuit 10 includes a circuit that operates according to a positive sampling pulse and a circuit that operates according to a negative sampling pulse. These circuits include an integrating circuit, and the gate circuit 9
The signal passed through is integrated according to the sampling pulse, and the integrated result is output to the differential amplifier circuit 11. The positive and negative sample hold circuit 10 of this embodiment outputs the held signal to the differential amplifier circuit 11 while holding the integration result until the next sampling pulse of the same polarity is given.

【0035】差動増幅回路11では、正極のサンプリン
グパルスに対応する信号を+側入力端子に、負極のサン
プリングパルスに対応する信号を−側入力端子に、それ
ぞれ入力して、両信号間の差動増幅処理を実行する。コ
ンパレータ12は、この差動増幅信号を取り込んで、こ
れを所定のしきい値と比較する。さらに出力回路13
は、コンパレータ12の比較出力を取り込んで、これを
物体有無信号として外部に出力する。
In the differential amplifier circuit 11, the signal corresponding to the positive sampling pulse is input to the + side input terminal and the signal corresponding to the negative sampling pulse is input to the negative side input terminal, respectively. Dynamic amplification processing is executed. The comparator 12 takes in the differential amplified signal and compares it with a predetermined threshold value. Furthermore, the output circuit 13
Takes in the comparison output of the comparator 12 and outputs it as an object presence / absence signal to the outside.

【0036】図2は、前記励磁コイル2から発生した励
磁磁束Sと、金属体Fから発生した渦電流磁束Tとの関
係を示す。渦電流磁束Tは、励磁磁束Sの作用を受けて
発生するため、励磁磁束Sに対して所定時間t分の位相
遅れが生じる。
FIG. 2 shows the relationship between the exciting magnetic flux S generated from the exciting coil 2 and the eddy current magnetic flux T generated from the metal body F. Since the eddy current magnetic flux T is generated by the action of the exciting magnetic flux S, a phase delay of a predetermined time t occurs with respect to the exciting magnetic flux S.

【0037】図3は、励磁磁束S,渦電流磁束T、およ
び両磁束S,T間に生じる位相の差との関係を、励磁磁
束Sを基準とした電気角によりベクトル表示したもので
ある。図中のベクトルAは励磁磁束Sに、ベクトルBは
渦電流磁束Tに、それぞれ相当する。またベクトルC
は、これらベクトルA,Bの合成ベクトル、すなわち近
接センサの検出面に作用する磁束に相当する。
FIG. 3 is a vector representation of the relationship between the exciting magnetic flux S, the eddy current magnetic flux T, and the phase difference generated between the two magnetic fluxes S, T by the electrical angle with the exciting magnetic flux S as a reference. The vector A in the drawing corresponds to the exciting magnetic flux S, and the vector B corresponds to the eddy current magnetic flux T. Also the vector C
Corresponds to a composite vector of these vectors A and B, that is, a magnetic flux acting on the detection surface of the proximity sensor.

【0038】図中の角度θは、渦電流磁束Tの励磁磁束
Sに対する位相のずれ時間tに対応する。この位相の差
θは、励磁磁束Sの周波数(以下、「励磁周波数」とい
う。),および金属Fの透磁率ならびに導電率に応じて
変化する。ここで励磁周波数fを0から∞まで変化させ
るものとすると、ベクトルB,Cの先端は、図中の破線
X,Yで示す軌跡のように変化する。なお、図中、Xは
磁性金属について得られる軌跡であり、Yは非磁性金属
について得られる軌跡である。いずれの軌跡において
も、前記ベクトルAに対するベクトルBの角度θ、すな
わち励磁磁束Sに対する渦電流磁束Tの位相遅れが90
度になるような周波数fが存在する。
The angle θ in the figure corresponds to the phase shift time t of the eddy current magnetic flux T with respect to the exciting magnetic flux S. The phase difference θ changes depending on the frequency of the exciting magnetic flux S (hereinafter, referred to as “exciting frequency”) and the magnetic permeability and conductivity of the metal F. If the excitation frequency f is changed from 0 to ∞, the tips of the vectors B and C change like the loci indicated by the broken lines X and Y in the figure. In the figure, X is a locus obtained for a magnetic metal and Y is a locus obtained for a non-magnetic metal. In any of the loci, the angle θ of the vector B with respect to the vector A, that is, the phase delay of the eddy current magnetic flux T with respect to the exciting magnetic flux S is 90.
There is a frequency f that is in degrees.

【0039】上記位相の差θが90度になる状態では、
励磁磁束Sがゼロとなる時点と渦電流磁束Tがピークを
とる時点とが一致することになる。すなわち励磁磁束S
がゼロとなる時点では、MI素子1には励磁磁束Sが作
用しない一方、周期の中で最もレベルの大きい渦電流磁
束Tが作用することになる。したがってこの時点のMI
素子1からは、渦電流磁束Tの作用によるインピーダン
ス変化を最も効率良く、かつ励磁コイルによる影響を受
けない状態で取り出すことが可能となる。渦電流磁束T
と励磁磁束Sとの位相の関係は、金属体Fの種類や励磁
周波数が変わらない限り一定である。したがって、位相
差θが90度になるような励磁周波数を選択し、励磁磁
束Sの極性が反転するタイミングに沿ってMI素子1か
らの出力をサンプリングするようにすれば、励磁磁束S
の影響を受けずに高精度の信号処理を行うことができ
る。
When the phase difference θ is 90 degrees,
The time when the exciting magnetic flux S becomes zero coincides with the time when the eddy current magnetic flux T reaches a peak. That is, the exciting magnetic flux S
At the time point when is zero, the exciting magnetic flux S does not act on the MI element 1, while the eddy current magnetic flux T having the highest level in the cycle acts. Therefore, MI at this point
From the element 1, it is possible to extract the impedance change due to the action of the eddy current magnetic flux T most efficiently and in a state where it is not affected by the exciting coil. Eddy current magnetic flux T
The relationship between the phase and the exciting magnetic flux S is constant as long as the type of the metal body F and the exciting frequency do not change. Therefore, if the excitation frequency is selected so that the phase difference θ becomes 90 degrees and the output from the MI element 1 is sampled at the timing when the polarity of the excitation magnetic flux S is reversed, the excitation magnetic flux S
It is possible to perform highly accurate signal processing without being affected by.

【0040】前記図1に示した近接スイッチは、上記の
原理を適用してなされたもので、励磁用発振回路5は、
あらかじめ計測した結果に基づき、渦電流磁束Tに対す
る位相差θが90度に近似する角度になるような周波数
で発振するように設定される。なお、この発振周波数を
複数段階に調整できるようにすれば、検出対象の金属体
Fの種類に応じて、励磁周波数を調整することができ
る。
The proximity switch shown in FIG. 1 is made by applying the above-mentioned principle.
Based on the result of measurement in advance, it is set to oscillate at a frequency such that the phase difference θ with respect to the eddy current magnetic flux T becomes an angle close to 90 degrees. If the oscillation frequency can be adjusted in multiple stages, the excitation frequency can be adjusted according to the type of the metal body F to be detected.

【0041】図4は、図1の近接スイッチの動作を示
す。図中、(a)はタイミング制御回路7からのサンプ
リングパルスの出力タイミングを示す。この実施例で
は、前記したように、励磁磁束Sがゼロとなる時点を中
心とする所定期間をサンプリング期間として、この期間
に極性が変化する方向とは反対の極性を持つサンプルパ
ルスを出力する。このサンプリング期間において、励磁
磁束Sは正負の両極に対してほぼ同じ量ずつ変化する。
一方、各サンプリング期間における渦電流磁束Tは、励
磁磁束Sより約90度遅れの位相を持つため、サンプリ
ングパルスと同じ極性を持つことになる。
FIG. 4 shows the operation of the proximity switch of FIG. In the figure, (a) shows the output timing of the sampling pulse from the timing control circuit 7. In this embodiment, as described above, a predetermined period centered on the time when the exciting magnetic flux S becomes zero is set as a sampling period, and a sample pulse having a polarity opposite to the direction in which the polarity changes during this period is output. In this sampling period, the exciting magnetic flux S changes by substantially the same amount for both positive and negative poles.
On the other hand, since the eddy current magnetic flux T in each sampling period has a phase delayed by about 90 degrees from the exciting magnetic flux S, it has the same polarity as the sampling pulse.

【0042】図4(b)は、前記正負サンプルホールド
回路10の信号出力のタイミングを示すもので、正負の
サンプルパルスに対応する積分結果が、つぎに同極のサ
ンプリングパルスが与えられるまで維持されつつ、出力
されている。
FIG. 4B shows the signal output timing of the positive / negative sample hold circuit 10. The integration result corresponding to the positive / negative sample pulse is maintained until the next same-polarity sampling pulse is given. While being output.

【0043】正負サンプルホールド回路10では、サン
プリング期間内のMI素子1からの出力を積分処理する
から、正負の各極に同じ量ずつ変化する励磁磁束Sは相
殺される一方、サンプリングパルスと同極の極性を持つ
渦電流磁束Tのレベルは累積される。よって正負サンプ
ルホールド回路10からは、サンプリング期間における
渦電流磁束Tの作用によるインピーダンスの変化を高精
度に反映した信号が出力されることになる。また各サン
プリング期間でのMI素子1からの出力は、サンプリン
グパルスと同じ極性を持つから、その積分処理結果を示
す信号も、同様の極性を持つものとなる。
Since the positive / negative sample hold circuit 10 integrates the output from the MI element 1 during the sampling period, the exciting magnetic flux S changing by the same amount to the positive / negative poles is canceled, but the same polarity as the sampling pulse is applied. The levels of the eddy current magnetic flux T having the polarity of are accumulated. Therefore, the positive / negative sample-hold circuit 10 outputs a signal that highly accurately reflects the change in impedance due to the action of the eddy current magnetic flux T during the sampling period. Further, since the output from the MI element 1 in each sampling period has the same polarity as the sampling pulse, the signal indicating the integration processing result also has the same polarity.

【0044】図4(c)は差動増幅回路11からの信号
出力のタイミングを、図4(d)は出力回路13からの
物体有無信号の変化の状態を、それぞれ示す。前記した
ように、差動増幅回路11は、正極のサンプリングパル
スに対応する信号を+側の入力端子に、負極のサンプリ
ングパルスに対応する信号を−側入力端子に、それぞれ
入力するので、負極のサンプリングパルスに対応する負
の積分結果は正極に反転して、正の積分結果に累積され
ることになる。したがって金属体Fの接近によって渦電
流磁束Tが大きくなると、差動増幅出力も大きな値をと
るようになる。この差動増幅出力のレベルがコンパレー
タ12の比較レベルを越えると、コンパレータ12の出
力レベルはオン状態となる。これに対応して出力回路1
3からの物体有無信号も、「金属体あり」を示すオン状
態に設定される。
FIG. 4C shows the timing of signal output from the differential amplifier circuit 11, and FIG. 4D shows the state of change of the object presence / absence signal from the output circuit 13. As described above, since the differential amplifier circuit 11 inputs the signal corresponding to the positive sampling pulse to the + side input terminal and the signal corresponding to the negative sampling pulse to the-side input terminal, respectively, The negative integration result corresponding to the sampling pulse is inverted to the positive polarity and accumulated in the positive integration result. Therefore, when the eddy current magnetic flux T increases due to the approach of the metal body F, the differential amplification output also takes a large value. When the level of the differential amplification output exceeds the comparison level of the comparator 12, the output level of the comparator 12 is turned on. Corresponding to this, output circuit 1
The object presence / absence signal from 3 is also set to the ON state indicating “with metal body”.

【0045】図4の例では、渦電流磁束Tが徐々に大き
くなっており、各周期における正負の各ピークを中心と
する信号がサンプリングされて、前記積分処理および差
動増幅処理が行われた結果、図中、3周期目の正極の信
号のサンプルホールド出力がなされた時点で差動増幅回
路11から前記コンパレータ12の比較レベルを上回る
レベルの信号が出力される。この信号レベルの変化に応
じて、物体有無信号がオン状態になる。
In the example of FIG. 4, the eddy current magnetic flux T is gradually increased, and a signal centered on each of positive and negative peaks in each cycle is sampled, and the integration process and the differential amplification process are performed. As a result, the differential amplifier circuit 11 outputs a signal having a level higher than the comparison level of the comparator 12 when the sample-hold output of the positive polarity signal in the third cycle is performed in the figure. The object presence / absence signal is turned on according to the change in the signal level.

【0046】このように図1の実施例では、従来の差動
コイル方式のセンサでの検出コイルに代えて、薄く小型
のMI素子1を使用するので、センサを小型化すること
ができる。またこの実施例によれば、励磁コイル2の後
方に他のコイルなどを設ける必要がないので、フェライ
トコアを用いて励磁コイル2の側方や後方への磁束の流
れを制限することができ、励磁磁束Sの指向性を高めて
感度を向上することができる。しかも上記した励磁周波
数の調整と信号処理とにより、励磁磁束Sの影響を受け
にくい信号を効率良くサンプリングして、高精度の検出
処理を行うことができる。
As described above, in the embodiment shown in FIG. 1, since the thin and small MI element 1 is used in place of the detection coil in the conventional differential coil type sensor, the sensor can be miniaturized. Further, according to this embodiment, since it is not necessary to provide another coil or the like behind the exciting coil 2, it is possible to limit the flow of magnetic flux to the side or the rear of the exciting coil 2 by using the ferrite core. It is possible to improve the directivity of the exciting magnetic flux S and improve the sensitivity. Moreover, by the above-described adjustment of the excitation frequency and signal processing, it is possible to efficiently sample a signal that is not easily affected by the excitation magnetic flux S and perform a highly accurate detection process.

【0047】なお、上記実施例では、MI素子1を励磁
コイル2の内側に配置するようにしたが、これに限ら
ず、図5,6に示すような配置関係を設定してもよい。
Although the MI element 1 is arranged inside the exciting coil 2 in the above embodiment, the arrangement is not limited to this, and the arrangement relations shown in FIGS. 5 and 6 may be set.

【0048】図5,6の例では、MI素子1と励磁コイ
ル2とは、並列に配置される。図5の例では、MI素子
1と励磁コイル2との間での向きの関係については、第
1の実施例と同様である。これに対し、図6の例では、
励磁コイル2を幅方向が長い構成にして、その端面をM
I素子1に対向させた状態で配置する。このような配置
により、MI素子1に対する励磁磁束Sは、MI素子1
の幅方向に沿う方向から作用するようになる。MI素子
1の幅方向における磁気への感度は、長手方向における
感度よりもはるかに弱くなるので、MI素子1への励磁
磁束Sの作用による影響を小さくすることができる。な
お、図6のような配置関係を設定する場合に、図7に示
すように、励磁コイル2に断面I型のコア16を使用す
れば、MI素子1に及ぼす励磁磁束Sの影響をさらに小
さくすることができる。
In the examples of FIGS. 5 and 6, the MI element 1 and the exciting coil 2 are arranged in parallel. In the example of FIG. 5, the orientation relationship between the MI element 1 and the exciting coil 2 is the same as in the first embodiment. On the other hand, in the example of FIG.
The exciting coil 2 is made long in the width direction and its end face is
It is arranged so as to face the I element 1. With such an arrangement, the exciting magnetic flux S with respect to the MI element 1
It works from the direction along the width direction of the. Since the sensitivity of the MI element 1 to the magnetism in the width direction is much weaker than the sensitivity in the longitudinal direction, the effect of the action of the exciting magnetic flux S on the MI element 1 can be reduced. When setting the arrangement relationship as shown in FIG. 6, if the core 16 having an I-shaped cross section is used for the exciting coil 2 as shown in FIG. 7, the influence of the exciting magnetic flux S on the MI element 1 is further reduced. can do.

【0049】上記図5,6の例についても、信号処理部
4については、図1と同様に構成することができる。と
ころで、MI素子1の外部磁界に対するインピーダンス
は、図8(1)(2)に示すように、外部磁界がゼロま
たはゼロに近い時点を最大として、磁界が強くなるにつ
れて小さくなるという特性がある。前記図1の構成で
は、正負サンプルホールド回路10に正極,負極の各極
性を持つ信号を入力する都合上、MI素子1には所定の
バイアス磁界をかける必要がある。すなわち図8(1)
(2)において、インピーダンスが略直線状に変化する
領域rの中間地点(図中、点pで示す。)付近の磁界を
バイアス磁界として設定するとともに、このバイアス磁
界に対応するインピーダンスを前記抵抗15に持たせる
ようにすれば、MI素子1のインピーダンス変化を正負
両極にふれる電圧信号として検出することができる。
In the examples of FIGS. 5 and 6 as well, the signal processing unit 4 can be configured similarly to that of FIG. By the way, the impedance of the MI element 1 with respect to the external magnetic field has a characteristic that, as shown in FIGS. 8A and 8B, the maximum is when the external magnetic field is zero or close to zero, and the impedance decreases as the magnetic field becomes stronger. In the configuration shown in FIG. 1, it is necessary to apply a predetermined bias magnetic field to the MI element 1 in order to input signals having positive and negative polarities to the positive and negative sample hold circuit 10. That is, FIG. 8 (1)
In (2), the magnetic field near the midpoint (indicated by point p in the figure) of the region r in which the impedance changes substantially linearly is set as the bias magnetic field, and the impedance corresponding to this bias magnetic field is set to the resistance 15 If it is provided, the impedance change of the MI element 1 can be detected as a voltage signal touching both positive and negative polarities.

【0050】図9は、前記図1の構成の近接センサの検
出部に、バイアス磁界用のコイル17を設けた例を示
す。図9(1)の例では、前記励磁コイル2の内側に、
励磁コイル2と同じ方向を向けてバイアス磁界用のコイ
ル17を配備し、さらにこのコイル17の内側にMI素
子1を配備する。
FIG. 9 shows an example in which a coil 17 for a bias magnetic field is provided in the detection section of the proximity sensor having the structure shown in FIG. In the example of FIG. 9 (1), inside the exciting coil 2,
A bias magnetic field coil 17 is provided in the same direction as that of the exciting coil 2, and the MI element 1 is provided inside the coil 17.

【0051】図9(2)の例でも、励磁コイル2の内側
にバイアス磁界用のコイル17が配備されるが、このコ
イル17は、励磁コイル2とは直交する方向に向けられ
る。またMI素子1は、このコイル17の一側方に配備
される。
In the example of FIG. 9B as well, the coil 17 for the bias magnetic field is provided inside the exciting coil 2, but the coil 17 is oriented in the direction orthogonal to the exciting coil 2. The MI element 1 is arranged on one side of the coil 17.

【0052】図9(1)(2)のいずれにおいても、バ
イアス磁界用のコイル17は、図示しない直流電源に接
続されており、MI素子1に対して正極側のバイアス磁
界がかけられる。なおバイアス磁界をかける手段はコイ
ルに限らず、MI素子1の近傍に永久磁石を配備しても
よい。
9 (1) and 9 (2), the bias magnetic field coil 17 is connected to a DC power source (not shown), and a positive bias magnetic field is applied to the MI element 1. The means for applying the bias magnetic field is not limited to the coil, and a permanent magnet may be arranged near the MI element 1.

【0053】図10,11は、この発明にかかる他の近
接センサの構成を示す。この実施例の近接センサでは、
図1の実施例と同様に配置された励磁コイル2の前後に
それぞれMI素子1a,1bが配置される。これら一対
のMI素子1a,1bは、励磁コイル2に対して同じ距
離をおいて配備され、また同じMI駆動用発振回路6か
ら高周波電流の供給を受ける。
10 and 11 show the structure of another proximity sensor according to the present invention. In the proximity sensor of this embodiment,
MI elements 1a and 1b are arranged in front of and behind the exciting coil 2 arranged similarly to the embodiment of FIG. The pair of MI elements 1a and 1b are arranged at the same distance from the exciting coil 2 and are supplied with a high frequency current from the same MI driving oscillation circuit 6.

【0054】この実施例の信号処理部4には、各MI素
子1a,1bには、それぞれ基準インピーダンスに相当
する負荷抵抗15a,15bと検波回路8a,8bとが
設けられる。また各検波回路8a,8bからの出力の差
分をとるための差動増幅回路18や、この差動増幅出力
をさらに増幅される増幅回路19などが配備される。な
お、信号処理部4内の他の回路については図1と同様で
あり、また図1と同様の動きをするように設定されてい
るので、説明は省略する。
In the signal processing section 4 of this embodiment, each MI element 1a, 1b is provided with a load resistor 15a, 15b corresponding to a reference impedance and a detection circuit 8a, 8b. Further, a differential amplifier circuit 18 for obtaining a difference between outputs from the respective detection circuits 8a and 8b, an amplifier circuit 19 for further amplifying the differential amplified output, and the like are provided. The other circuits in the signal processing unit 4 are the same as those in FIG. 1 and are set to perform the same movements as in FIG.

【0055】上記構成において、ゲート回路9には、増
幅回路19を介した差動増幅出力、すなわち各MI素子
1a,1bからの出力の差に応じた信号が与えられる。
よって正負サンプルホールド回路10により、各サンプ
リング期間にそれぞれのMI素子1a,1bに作用した
渦電流の大きさの差に相当する電圧が積分され、さらに
差動増幅回路11によりこの積分結果を累積した電圧信
号が出力される。
In the above structure, the gate circuit 9 is supplied with a differential amplification output through the amplification circuit 19, that is, a signal corresponding to the difference between the outputs from the MI elements 1a and 1b.
Therefore, the positive / negative sample-hold circuit 10 integrates the voltage corresponding to the difference in the magnitude of the eddy currents acting on the MI elements 1a and 1b in each sampling period, and the differential amplifier circuit 11 accumulates the integration result. A voltage signal is output.

【0056】よって検出対象の金属体Fによって、各M
I素子1a,1bからの出力レベルに差が生じると、上
記の各回路によりこの差が検出されてコンパレータ12
の比較出力がオン状態となり、出力回路13からの物体
有無信号もオン状態に設定されることになる。
Therefore, depending on the metal body F to be detected, each M
When a difference occurs in the output level from the I elements 1a and 1b, the difference is detected by the circuits described above, and the comparator 12
The comparison output of is turned on, and the object presence / absence signal from the output circuit 13 is also turned on.

【0057】MI素子1a,1bは、コイルよりも小さ
な薄膜素子として形成されるので、図10のように配置
しても、励磁コイル2と各MI素子1との間には十分な
距離をおくことができる。このため、各MI素子1と励
磁コイル2との間の静電容量を小さくすることができ
る。またMI素子1は、一定のスペックに基づいて製造
されるので、個々の素子間の出力のばらつきも小さくす
ることができる。よってMI素子1の個体差や励磁コイ
ル2との間に生じる静電容量のばらつきによるノイズを
小さくして、金属体Fからの渦電流磁束Tに起因する出
力差を精度良くサンプリングできるので、従来の差動コ
イル方式の近接センサよりも、はるかに精度の高い検出
処理を行うことができる。
Since the MI elements 1a and 1b are formed as thin film elements smaller than the coils, even if they are arranged as shown in FIG. 10, a sufficient distance is provided between the exciting coil 2 and each MI element 1. be able to. Therefore, the capacitance between each MI element 1 and the exciting coil 2 can be reduced. Further, since the MI element 1 is manufactured based on a fixed specification, it is possible to reduce variations in output between individual elements. Therefore, the noise due to the individual difference of the MI element 1 and the variation of the electrostatic capacitance between the MI element 1 and the exciting coil 2 can be reduced, and the output difference due to the eddy current magnetic flux T from the metal body F can be accurately sampled. It is possible to perform detection processing with much higher accuracy than that of the differential coil type proximity sensor of.

【0058】[0058]

【発明の効果】この発明では、励磁磁束を金属体に作用
させることにより生じる渦電流磁束を検出するための手
段として磁気インピーダンス素子を使用するとともに、
励磁コイルに流れる電流が反転する時点を基準に磁気イ
ンピーダンス素子からの出力をサンプリングして金属体
検出のための信号処理を実行するようにしたから、励磁
磁束の影響が少なく、かつ渦電流磁束の大きさを高精度
に反映した信号を用いた検出処理を行うことができる。
よって金属体に対する感度が大幅に向上され、検出可能
な金属体までの距離を長くすることができ、高性能の近
接センサを提供することができる。
According to the present invention, the magneto-impedance element is used as a means for detecting the eddy current magnetic flux generated by applying the exciting magnetic flux to the metal body.
Since the output from the magneto-impedance element is sampled and signal processing for metal object detection is executed based on the time when the current flowing in the exciting coil is reversed, the influence of the exciting magnetic flux is small and the eddy current magnetic flux It is possible to perform detection processing using a signal that reflects the size with high accuracy.
Therefore, the sensitivity to the metal body is significantly improved, the detectable distance to the metal body can be increased, and a high-performance proximity sensor can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の一実施例にかかる近接センサの検出
部および信号処理部の構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a detection unit and a signal processing unit of a proximity sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】励磁磁束と渦電流磁束との位相の関係を説明す
る図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a phase relationship between an excitation magnetic flux and an eddy current magnetic flux.

【図3】励磁磁束と渦電流磁束との位相の関係をベクト
ルにより説明する図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a phase relationship between an excitation magnetic flux and an eddy current magnetic flux using a vector.

【図4】金属体検出のための信号処理の具体例を示すタ
イミングチャートである。
FIG. 4 is a timing chart showing a specific example of signal processing for detecting a metal body.

【図5】励磁コイルとMI素子との他の配置例を示す説
明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing another arrangement example of the exciting coil and the MI element.

【図6】励磁コイルとMI素子との他の配置例を示す説
明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing another arrangement example of the exciting coil and the MI element.

【図7】図6の励磁コイルにコアを使用した例を示す説
明図である。
7 is an explanatory diagram showing an example in which a core is used in the exciting coil of FIG.

【図8】MI素子におけるインピーダンス変化の特性を
示す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing characteristics of impedance change in the MI element.

【図9】バイアス磁界用のコイルの配置例を示す説明図
である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an arrangement example of a coil for a bias magnetic field.

【図10】検出部に一対のMI素子を使用する場合の具
体例を示す説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a specific example in which a pair of MI elements is used in the detection unit.

【図11】図10の検出部を用いた近接センサの構成を
示すブロック図である。
11 is a block diagram showing a configuration of a proximity sensor using the detection unit of FIG.

【図12】従来の差動コイル方式の近接センサの構成を
示す説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a configuration of a conventional differential coil type proximity sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 MI素子 2 励磁コイル 4 信号処理部 5 励磁用発振回路 6 MI駆動用発信回路 7 タイミング制御回路 9 ゲート回路 10 正負サンプルホールド回路 17 バイアス磁界用コイル S 励磁磁束 T 渦電流磁束 F 金属体 1 MI element 2 excitation coil 4 Signal processing unit 5 Oscillation circuit for excitation 6 MI drive oscillator circuit 7 Timing control circuit 9 gate circuit 10 Positive / negative sample and hold circuit 17 Bias field coil S exciting magnetic flux T Eddy current magnetic flux F metal body

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Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 検出対象の金属体に励磁磁束を作用させ
るための励磁コイルと、 前記励磁コイルに所定の位置関係をもって配置される磁
気インピーダンス素子と、 前記励磁コイルおよび磁気インピーダンス素子にそれぞ
れ接続される高周波発振回路と、 前記励磁コイルに流れる電流が反転する時点を基準に磁
気インピーダンス素子からの出力をサンプリングして金
属体検出のための信号処理を実行する信号処理部とを具
備して成る近接センサ。
1. An exciting coil for causing an exciting magnetic flux to act on a metal body to be detected, a magnetic impedance element arranged in the exciting coil in a predetermined positional relationship, and connected to the exciting coil and the magnetic impedance element, respectively. A high-frequency oscillating circuit, and a signal processing unit that performs signal processing for detecting a metal body by sampling the output from the magneto-impedance element on the basis of the time when the current flowing through the exciting coil is reversed. Sensor.
【請求項2】 前記励磁磁束を金属体に作用させたと
き、この金属体に生じる渦電流磁束のピークと前記励磁
コイルに流れる電流がゼロになる時点とのずれが所定の
時間内になるように、励磁コイルに接続される高周波発
振回路の発振周波数が調整されて成る請求項1に記載さ
れた近接センサ。
2. When the exciting magnetic flux is applied to a metal body, the difference between the peak of the eddy current magnetic flux generated in the metal body and the time when the current flowing through the exciting coil becomes zero is within a predetermined time. The proximity sensor according to claim 1, wherein the oscillation frequency of a high-frequency oscillation circuit connected to the exciting coil is adjusted.
【請求項3】 前記磁気インピーダンス素子の近傍に
は、このインピーダンス素子に対して所定のバイアス磁
界を設定するための磁石またはコイルが配備されてお
り、 前記励磁磁束を金属体に作用させたとき、励磁コイルに
流れる電流がゼロとなる時点を中心とする所定期間にお
ける極性が一定となるような渦電流磁束が前記金属体か
ら発生するように、励磁コイルに接続される高周波発振
回路の発振周波数が調整されており、 前記信号処理部は、前記期間内における磁気インピーダ
ンス素子からの出力をサンプリングして積分した信号を
用いて金属体の検出処理を実行する請求項1または2に
記載された近接センサ。
3. A magnet or coil for setting a predetermined bias magnetic field for the impedance element is provided in the vicinity of the magnetic impedance element, and when the exciting magnetic flux is applied to the metal body, The oscillating frequency of the high-frequency oscillation circuit connected to the exciting coil is set so that an eddy current magnetic flux having a constant polarity in a predetermined period centered around the time when the current flowing through the exciting coil becomes zero is generated from the metal body. The proximity sensor according to claim 1 or 2, wherein the signal processing unit is adjusted, and the signal processing unit executes the detection processing of the metal body by using a signal obtained by sampling and integrating an output from the magneto-impedance element within the period. .
【請求項4】 検出対象の金属体に励磁磁束を作用させ
るための励磁コイルと、 前記励磁コイルを挟んで対称な位置に配備される一対の
磁気インピーダンス素子と、 前記励磁コイルに接続される第1の高周波発振回路と、 各磁気インピーダンス素子に接続される第2の高周波発
振回路と、 前記励磁コイルに流れる電流が反転する時点を基準に各
磁気インピーダンス素子からの出力の差分信号をサンプ
リングして金属体検出のための信号処理を実行する信号
処理部とを具備して成る近接センサ。
4. An exciting coil for causing an exciting magnetic flux to act on a metal body to be detected, a pair of magneto-impedance elements arranged at symmetrical positions with the exciting coil sandwiched therebetween, and a first coil connected to the exciting coil. 1. The high frequency oscillation circuit of No. 1, the second high frequency oscillation circuit connected to each magneto-impedance element, and the differential signal of the output from each magneto-impedance element is sampled on the basis of the time point when the current flowing in the exciting coil is reversed. A proximity sensor including a signal processing unit that performs signal processing for detecting a metal body.
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JP2020034373A (en) * 2018-08-29 2020-03-05 株式会社富士通ゼネラル Signal processor and sensor device

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