JP3626341B2 - 磁性金属センサ及び磁性金属検出システム - Google Patents
磁性金属センサ及び磁性金属検出システム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性金属片の有無を検出する磁性金属センサ及びこの磁性金属センサを用いた磁性金属検出システムに関し、特に、複数の磁性金属片が所定の間隔で並列に配置された被検出部から、この磁性金属片を検出する磁性金属センサ及び磁性金属検出システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、磁性金属の存在の有無を検出する磁性金属センサとして、渦電流方式のセンサが知られている。
【０００３】
このような磁性金属センサは、例えば、ギヤの歯数を検出してギヤの回転速度や回転角度を制御する工作機械等のシステムや、布や化学繊維等の編み機などで繊維を編み込む為に用いられる櫛状の編み棒の棒数を検出して編み棒の移動位置を制御するシステム等に用いることが求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、渦電流方式の磁性金属センサでは、このセンサを構成するコイルよりも磁性金属片が小さくなると急激に検出出力が低下するため、微小な金属片を検出することが困難であった。
【０００５】
また、上述した渦電流方式の磁性金属センサでは、応答速度が遅いため、高速に動作する磁性金属片を検出することが困難であった。
【０００６】
以上の理由から従来の磁性金属センサを上述した工作機械等のシステム等に適用することが困難であった。
【０００７】
本発明は、このような実情を鑑みてなされたものであり、高精度、高速かつ確実に、微小な磁性金属片を検出する磁性金属センサ及び磁性金属検出システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明に係る磁性金属センサは、複数の磁性金属片が所定の間隔λで並列に配置された被検出部に対して、この複数の磁性金属片が並列に配置された方向に相対移動して、上記磁性金属片を検出する磁性金属センサにおいて、感磁方向の磁界変化に応答する軟磁性材料からなる感磁素子を有し、互いの感磁素子の感磁方向に垂直な方向の間隔がｇとされ、当該感磁素子に生じる感磁方向の磁界変化に応じた電気信号を出力する一対の磁電変換手段と、上記一対の磁電変換手段の各感磁素子に対して、感磁方向の磁界を与える磁界発生手段とを備え、上記一対の磁電変換手段は、磁化極性が互いに同一となるように高周波信号で励磁駆動され、上記一対の磁電変換手段は、インピーダンスの変化量に基づき磁性金属片の検出信号が生成され、上記一対の磁電変換手段は、上記被検出部との相対移動方向に対して上記感磁方向が垂直となり、且つ、互いの感磁素子同士の上記相対移動方向に対する間隔ｇ´が
ｇ´＝（ｎ＋１／２）×λ ：ｎは０以上の整数、且つ、ｇ´＜ｇ
となるように、配設されることを特徴とする。
【０００９】
この磁性金属センサでは、上記被検出部に対して相対移動することによって、並列に配置された各磁性金属片の影響による磁界変化に、一対の磁電変換手段が順次応答していく。この際、一方の磁電変換手段が、１の磁性金属片の影響により応答したときに、他方の磁電変換手段では、いずれの磁性金属片の影響によっても応答しない。
【００１０】
そのため、上記磁性金属センサでは、上記一対の磁電変換手段の互いの検出信号の差分の値が、いずれの感磁部にも磁性金属片による応答が無いときの検出信号の差分の値を中心として、正負に振れる。
【００１１】
また、本発明に係る磁性金属検出システムは、複数の磁性金属片が所定の間隔λで並列に配置された被検出部と、上記複数の磁性金属片が並列に配置された方向に、上記被検出部に対して相対移動するように設けられた磁性金属センサと、上記磁性金属センサを駆動するとともに、上記磁性金属センサの検出信号に基づき上記被検出部の各磁性金属片を検出する駆動検出部とを備える磁性金属検出システムであって、上記磁性金属センサは、感磁方向の磁界変化に応答する軟磁性材料からなる感磁素子を有し、互いの感磁素子の感磁方向に垂直な方向の間隔がｇとされ、当該感磁素子に生じる感磁方向の磁界変化に応じた電気信号を出力する一対の磁電変換手段と、上記一対の磁電変換手段の各感磁素子に対して感磁方向の磁界を与える磁界発生手段とを具備しており、上記駆動検出部は、磁化極性が互いに同一となるように高周波信号によって上記一対の磁電変換手段を励磁駆動するとともに、上記一対の磁電変換手段のインピーダンスの変化量に基づき磁性金属片の検出信号を生成し、上記一対の磁電変換手段は、上記被検出部との相対移動方向に対して上記感磁方向が垂直となり、且つ、互いの感磁素子同士の上記相対移動方向に対する間隔ｇ´が
ｇ´＝（ｎ＋１／２）×λ ：ｎは０以上の整数、且つ、ｇ´＜ｇ
となるように、配設されることを特徴とする。
【００１２】
この磁性金属検出システムでは、上記磁性金属センサが、並列に配置された各磁性金属片に対して相対移動することによって、各磁性金属片の影響による磁界変化に、上記一対の磁電変換手段が順次応答していく。
【００１３】
この際、一方の磁電変換手段が、１の磁性金属片の影響により応答したときに、他方の磁電変換手段では、いずれの磁性金属片の影響によっても応答しない。
【００１４】
そのため、上記磁性金属センサを相対移動させた場合に、上記一対の磁電変換手段の互いの検出信号の差分の値は、いずれの感磁素子にも磁性金属片による応答が無いときの検出信号の差分の値を中心として、正負に振れる。
【００１５】
従って、この磁性金属検出システムでは、上記磁性金属センサの一対の磁電変換手段の両者の検出信号を比較して、所定の間隔λで並列に配置された複数の磁性金属片を検出する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態として、本発明を適用した金属片カウンタについて、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１に、実施の形態の金属片カウンタの斜視図を示す。
【００１８】
実施の形態の金属片カウンタは、被検出体１と、センサ固定台３上に固定された磁性金属センサ２とから構成される。
【００１９】
被検出体１は、所定間隔λで並列に配置された複数の金属片１１を有している。これら複数の金属片１１は、鉄、コバルト等の磁性金属からなり、例えば、直方体の形状となっている。これら複数の金属片１１は、それぞれの長手方向の一端部が指示部１２に取り付けられており、全体として被検出体１を構成している。
【００２０】
金属片１１の寸法は、図２（ａ）の平面図、及び、この図２（ａ）においてＡ方向から見た図２（ｂ）の側面図に示すように、例えば、長手方向の長さｌ１，幅ｗ１，高さｈ１が、それぞれ５．０ｍｍ，０．５ｍｍ，２．０ｍｍとなっている。また、金属片１１の並列配置の間隔λは、１．０ｍｍとなっている。なお、この金属片１１の図２（ａ）に示すＡ方向から見た側面、すなわち、金属片１１の長手方向の指示部１２が取り付けられていない他端部の側面を、以下検出面１１ａと呼ぶ。
【００２１】
また、被検出体１の指示部１２の側面には、駆動軸１３が取り付けられている。この駆動軸１３は、図示しない駆動機構に接続されている。この駆動機構は、例えば、制御回路等の制御に基づき、金属片１１が並列に配置された方向であるａ１方向及びａ２方向に、被検出体１を平行移動させる。
【００２２】
図３に、磁性金属センサ２の構造を示す。
【００２３】
磁性金属センサ２は、略Ｕ字状の開磁路型のコア２２にコイル２３及びコイル２４が巻かれた感磁部２１と、この感磁部２１に磁界を与える磁石２５とを備えている。
【００２４】
感磁部２１のコア２２は、図４（ａ）に示すように、略直方体の垂直部２２ａ、２２ｂが、所定のギャップ幅ｇをもって長手方向が平行となるよう配置されている。この垂直部２２ａ，２２ｂは、その長手方向の一端部が接続部２２ｃに接続され、全体として略Ｕ字状のコア２２が一体成形されている。このコア２２は、例えば、ＮｉＦｅ組成のパーマロイ等やＦｅ，Ｃｏ，Ｓｉ，Ｂ等で構成されたアモルファス材料等の軟磁性を示す材料からなる。
【００２５】
このコア２２の各部位の寸法は、例えば、垂直部２２ａ，２２ｂの長手方向の長さｌ２，幅ｗ２，高さｈ２が、それぞれ３．５ｍｍ，０．５ｍｍ，０．０５ｍｍとなっている。また、この垂直部２２ａ，２２ｂとの間のギャップ幅ｇが１．０ｍｍとなっており、コア２２全体の寸法は、長手方向の長さｌ３，幅ｗ３，厚さｈ２が、それぞれ５．０ｍｍ，２．０ｍｍ，０．０５ｍｍとなっている。
【００２６】
このような形状のコア２２には、図４（ｂ）に示すように、それぞれ筒状のボビン２９ａ，２９ｂの外周をガイドにして、垂直部２２ａ及び垂直部２２ｂに対してコイル２３，２４が巻かれている。これらコイル２３，２４は、その中心軸が上記垂直部２２ａ，２２ｂの長手方向に平行となるように巻かれている。このようなコイル２３，２４は、例えば、直径０．０５ｍｍの銅線が、それぞれ５０回ずつ巻かれて構成される。
【００２７】
以上のような感磁部２１は、コア２２の垂直部２２ａ，ｂの長手方向（図４で示すｘ方向）へ平行に入射する外部磁界に対する感度が非常に高くなっている。また、感磁部２１は、このｘ方向に平行入射する外部磁界に対してインピーダンス変化が生じ、その変化率が非常に大きくなっている。なお、このコア２２の垂直部２２ａ，ｂの長手方向すなわち図４で示すｘ方向を、以下この感磁部２１の感磁方向として説明を行う。
【００２８】
また、感磁部２１のコイル２３，２４は、高周波のパルス電流で励磁される。ここで、コイル２３，２４の巻き線方向と励磁する高周波パルス電流の電流方向との関係は、その極性が同一である関係にある。つまり、コイル２３に発生する磁界Ｈ１とコイル２４に発生する磁界Ｈ１′とが、同一の方向となるような関係にある。例えば、コイル２３とコイル２４との巻き線方向が同一である場合はそれぞれに同相の高周波パルス電流が励磁され、また、コイル２３とコイル２４との巻き線方向が逆である場合はそれぞれに逆相の高周波パルス電流が励磁される関係となっている。
【００２９】
このようなコイル２３，２４は、端子台２６において信号線３１，３２，３３と接続され、この信号線３１，３２，３３を介して例えばこの磁性金属センサ２の外部に設けられた駆動検出回路と接続される。これらコイル２３，２４は、この駆動検出回路から励磁電流が供給され、この駆動検出回路により出力が検出される。
【００３０】
図５にこの駆動検出回路の回路図を示す。
【００３１】
駆動検出回路３０は、発振回路３４と、発振回路３４からのパルス信号に基づきコイル２３，２４の駆動電流をスイッチングするスイッチング回路３５と、コイル２３，２４の出力電圧を検出して平滑化する平滑回路３６と、コイル２３，２４のスレッショルドレベルを決定する基準電圧回路３７と、平滑化されたコイル２３，２４の出力とスレッショルドレベルを比較する比較回路３８とを備えている。
【００３２】
感磁部２１のコイル２３，２４は、この図５に示すように直列接続されている。この直列接続されたコイル２３，２４の一端から電源電圧Ｖｃｃが印加され、他端がスイッチング回路３５を介して接地されている。また、このコイル２３，２４の中点Ｍの電圧が検出出力として取り出される。
【００３３】
発振回路３４は、例えば、周波数１ＭＨｚ，デューティ比１：１０のパルス信号を発生する。スイッチング回路３５は、このパルス信号に基づき、直列接続されたコイル２３，２４に流れる電流をスイッチングする。このことにより、これらコイル２３，２４は、高周波パルス電流で励磁される。
【００３４】
平滑回路３６は、直列接続されたコイル２３，２４の中点Ｍの電圧を検出して平滑化する。基準電圧回路３７は、例えば、電源電圧を所定の値の抵抗で分圧して、基準電圧を発生する。この基準電圧は、比較回路３８に対して、コイル２３，２４の出力のスレッショルドレベルとして与えられる。
【００３５】
ここで、この基準電圧の値は、磁性金属センサ２に対して何等磁界や金属が近接していない状態における直列接続されたコイル２３，２４の中点Ｍの電圧である。例えば、コイル２３，２４の与えられた磁界に対する変化率や磁界が与えられていないときの抵抗値が同一であれば、この基準電圧は、電源電圧Ｖｃｃの１／２となる。
【００３６】
比較回路３８は、平滑回路３６から供給される平滑化されたコイル２３，２４の中点Ｍの電圧と、基準電圧回路３７から供給されるスレッショルドレベルの基準電圧とを比較して２値化し、その２値化した信号を例えば図示しない制御回路等に供給する。
【００３７】
この図示しない制御回路等が、この比較回路３８により２値化した信号のパルス数をカウントすることにより上記金属片１１の検出数を求めることができ、この検出数から磁性金属センサ２と被検出体１との相対移動位置を検出することができる。
【００３８】
以上のように駆動検出回路３０は、コイル２３，２４に高周波のパルス電流を励磁し、また、コイル２３，２４の出力を検出することができる。
【００３９】
また、磁石２５は、上記感磁部２１に対して感磁方向に平行で一様な磁界を与えるように、位置決め部２５ａにより感磁部２１と所定間隔を保って位置決めされて固定される。この磁石２５は、感磁部２１の接続部２２ｃに対向する位置に設けられ、感磁部２１に対してコア２２の接続部２２ｃ側から感磁方向に平行な磁界を与える。例えば、この磁石２５は、１×１×２ｍｍの直方体のフェライト磁石からなり、１×２ｍｍの面が上記感磁部２１の接続部２２ｃに対向するように配置される。この場合、磁石２５は、この１×２ｍｍの面に垂直となるように、例えば、表面磁束密度が約６００Ｇで着磁される。
【００４０】
また、感磁部２１と磁石２５との間の距離ｌｘは、この磁石２５の強さと、この感磁部２１の磁界に対するインピーダンス特性に応じて定められる。具体的には、コイル２３，２４のいずれかのコイルに対して磁石２５による磁界を与え、出力の最大値（すなわち、この磁石２５から与えられた磁界により飽和状態となった場合の出力）及び出力の最小値（すなわち、この磁石２５からの磁界が及んでいない場合の出力）を検出する。そして、これら検出した値の中間の値となるような位置を求め、このときの感磁部２１と磁石２５との間の距離をｌｘとして定める。例えば、上述した感磁部２１及び磁石２５の場合では、距離ｌｘを２ｍｍと定めることができる。
【００４１】
なお、この磁石２５は、フェライト磁石に限られず、例えば、Ｓｍ系やＺｎＭｎ系の永久磁石、又は、電磁石等を用いても良い。また、磁石２５に電磁石を用いた場合には、電流量により発生する磁界を制御することができるので、上記距離ｌｘの調整をこの電流量に依存させることもできる。
【００４２】
以上のような磁石２５は、感磁部２１に対して感磁方向のバイアス磁界を与えることができ、このため、外部磁界に対してインピーダンスの変化が直線的であり、かつ、インピーダンス変化が急峻な特性を示す範囲で、この感磁部２１を使用することができる。
【００４３】
そして、このような略Ｕ字状の開磁路型のコア２２にコイル２３及びコイル２４が巻かれた感磁部２１と、この感磁部２１に感磁方向の磁界を与える磁石２５等は、例えば、その保護のため、エポキシ樹脂が封入された状態でアルミケース２７に収容され、全体として磁性金属センサ２を構成する。
【００４４】
以上説明したように磁性金属センサ２では、開磁路を形成したコア２２を備える感磁部２１を有し、この感磁部２１に対して磁石２５により感磁方向の磁界が与えられている。また、この感磁部２１のコア２２には、並列に配置され、極性が同一のコイル２３及びコイル２４が設けられている。従って、この磁性金属センサ２では、感磁部２１に備えられるコア２２に巻かれたコイル２３，２４のいずれか一方に磁性金属が接近すると、磁石２５により与えられている磁界が乱れて変化する。そのため、この磁性金属センサ２では、この磁界の変化に応じて生じるインピーダンスの変化を検出回路により検出することにより、磁性金属が近接したかどうかを検出することができる。
【００４５】
つぎに、上記被検出体１と上記磁性金属センサ２との配置の関係について説明する。
【００４６】
被検出体１が上述したように図示しない駆動機構により図１中に示したａ１，ａ２方向、すなわち、金属片１１が並列に配置された方向に平行移動するのに対し、磁性金属センサ２は、センサ固定台３上に固定されて設置される。また、この磁性金属センサ２は、被検出体１が金属片１１が並列に配置された方向に対して平行移動した場合おいて、各金属片１１の検出面１１ａに、上記感磁部２１のＵ字状のコア２２の開口部が対向するように設置される。すなわち、この磁性金属センサ２は、感磁部２１の感磁方向（図４に示すｘ方向）が金属片１１の長手方向に一致し、上記被検出体１の移動方向ａ１，ａ２に垂直となるように配置される。
【００４７】
また、この磁性金属センサ２は、図６に示すように、被検出体１の移動方向ａ１，ａ２におけるコア２２の垂直部２２ａ及び垂直部２２ｂの幅ｇ′が、金属片１１が並列に配置された間隔λに対して、（ｎ＋１／２）λとなるように、所定の角度をもって配置される（但し、ｎは、０以上の整数。）。すなわち、この磁性金属センサ２は、コア２２の垂直部２２ａが、１の金属片１１の検出面１１ａに対向するときに、他方の垂直部２２ｂがいずれの検出面１１ａとも対向しない位置となるように、角度を設定してセンサ固定台３上に配置される。
【００４８】
例えば、上述したような寸法のコア２２及び金属片１１であれば、この垂直部２２ａと垂直部２２ｂとを結ぶ直線と、被検出体１の移動方向ａ１，ａ２との角度θを、以下のように定めることができる。
【００４９】
以上のように被検出体１と磁性金属センサ２との配置関係を定めることによって、この被検出体１がａ１，ａ２方向に平行移動した場合、磁性金属センサ２の検出出力が以下の状態を繰り返すこととなる。すなわち、磁性金属センサ２の検出出力は、垂直部２２ａが１の金属片１１の影響により応答して垂直部２２ｂがいずれの金属片１１の影響によっても応答しない状態と、垂直部２２ｂが１の金属片１１の影響により応答して垂直部２２ａがいずれの金属片１１の影響によっても応答しない状態とを交互に繰り返すこととなる。
【００５０】
従って、この交互に繰り返される検出出力をカウントすることによって、被検出体１の移動位置を検出することができる。
【００５１】
つぎに、磁性金属センサ２の金属片１１の検出動作について説明する。
【００５２】
まず、１つの金属片１１を、この磁性金属センサ２のコイル２３からコイル２４にかけて通過させた場合の検出出力について図７を用いて説明する。なお、この図７は、横軸に、１つのみで構成される金属片１１のコイル２３，２４に対する位置を表し、縦軸に、図５に示す駆動検出回路３０において検出したコイル２３とコイル２４を直列接続した場合の中点Ｍの電圧を表している。また、縦軸のスレッショルドレベルは、上述したようにこの磁性金属センサ２に何等磁界や金属を近づけていない場合の中点Ｍの電圧を表している。
【００５３】
金属片１１がコイル２３及びコイル２４のいずれにも接近していない位置Ｐ１にある場合には、コイル２３及びコイル２４を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗は変化せず、磁石２５から与えられる磁束の本数に変化は生じていない。従って、コイル２３及びコイル２４のいずれのインピーダンスも変化しないので、中点Ｍの電位は、スレッショルドレベルにある。
【００５４】
続いて、金属片１１がコイル２３に接近していくと、金属片１１の透磁率が空気の透磁率よりも大きいことから、このコイル２３を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗が小さくなっていき、磁石２５から与えられる磁束の本数が増加する。それに対し、コイル２４は金属片１１に応答しないため、コイル２４を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗はコイル２３側の磁束が増加する分だけ減少する。そのため、コイル２３のインピーダンスが小さくなっていき、それに対して、コイル２４のインピーダンスは大きくなっていく。従って、金属片１１がコイル２３に接近するにつれて、中点Ｍの電位は、スレッショルドレベルから順次高くなっていく。そして、金属片１１がコイル２３に最も接近した位置Ｐ２となる場合に、中点Ｍの電位が最も高くなる。
【００５５】
続いて、金属片１１がコイル２３に最も接近した位置Ｐ２からコイル２４に接近していくと、コイル２３から金属片１１が離れていくため、コイル２３を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗が大きくなっていき、磁石２５から与えられる磁束の本数が減少していく。それに対して、コイル２４に金属片１１が接近するため、コイル２４を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗は小さくなっていく。そのため、コイル２３のインピーダンスが大きくなっていき、同時に、コイル２４のインピーダンスが小さくなっていく。従って、金属片１１がコイル２３からコイル２４に接近するにつれて、中点Ｍの電位は順次低くなっていく。そして、金属片１１がコイル２３とコイル２４の中間位置Ｐ３に来ると中点Ｍの電位はスレッショルドレベルとなり、金属片１１がコイル２４に最も接近した位置Ｐ４となると中点Ｍの電位が最も低くなる。
【００５６】
続いて、金属片１１がコイル２４に最も接近した位置Ｐ４から、コイル２３及びコイル２４のいずれにも接近していない位置Ｐ５に移動すると、コイル２３及びコイル２４を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗がいずれも金属片１１に応答しなくなる。従って、コイル２３及びコイル２４のいずれのインピーダンスも変化しないので、中点Ｍの電位が、スレッショルドレベルとなる。
【００５７】
以上のように、磁性金属センサ２では、金属片１１がコイル２３からコイル２４にかけて通過すると、中点Ｍの電位が、金属片１１が接近していないときの電位をスレッショルドレベルとして、プラスマイナスに振れる。従って、この磁性金属センサ２では、このスレッショルドレベルを中心に検出出力を比較することによって、金属片１１の位置を容易かつ確実に検出することができる。
【００５８】
つぎに、コイル２３とコイル２４の間隔をλ／２にした磁性金属センサ２を、間隔λで並列に配置された複数の金属片１１に対して相対的に移動させた場合の検出出力について図８を用いて説明する。なお、この図８は、横軸に、複数の金属片１１に対する磁性金属センサ２の位置を表し、縦軸に、図５に示す駆動検出回路３０においてコイル２３とコイル２４を直列接続した場合の中点Ｍの電圧を表している。また、縦軸のスレッショルドレベルは、上述したようにこの磁性金属センサ２に何等磁界や金属を近づけていない場合の中点Ｍの電圧を表している。
【００５９】
この磁性金属センサ２では、コイル２３に１つの金属片１１が最も接近した位置にあるときには、コイル２４にはいずれの金属片１１も接近していない。そのため、コイル２３が金属片１１に応答している状態において、コイル２４が金属片１１に応答していない。従って、検出出力となる中点Ｍの電位は、スレッショルドレベルよりも大きくなっている。
【００６０】
また、この磁性金属センサ２では、コイル２４に１つの金属片１１が最も接近した位置にあるときには、コイル２３にはいずれの金属片１１も接近していない。そのため、コイル２４が金属片１１に応答している状態において、コイル２３が金属片１１に応答していない。従って、検出出力となる中点Ｍの電位は、スレッショルドレベルよりも小さくなる。
【００６１】
従って、この磁性金属センサ２では、間隔λで並列に配置された複数の金属片１１に対して相対的に移動させた場合、スレッショルドレベルを中心に上下に振れる信号を検出出力として得ることができる。
【００６２】
なお、図９に、一例として、上述した寸法の磁性金属センサ２と金属片１１を適用した場合の、磁性金属センサ２と金属片１１の相対移動位置に対する直列接続したコイル２３とコイル２４の中点Ｍの電位の関係を表した図を示す。
【００６３】
以上のように、磁性金属センサ２では、間隔λで並列に配置された複数の金属片１１に対して相対的に移動させた場合における検出出力を、金属片１１がコイル２３，２４のいずれにも接近していない位置の中点Ｍの電位をスレッショルドレベルとして比較することにより、１の金属片１１の数を容易かつ確実に検出することができる。
【００６４】
従って、本発明の実施の形態の金属片カウンタでは、この磁性金属センサ２の検出出力に基づき金属片１１の数をカウントすることによって、磁性金属センサ２と被検出体１の相対位置を求めることができる。
【００６５】
また、更に別の磁性金属センサを上記磁性金属センサ２と（ｍ±１／４）λの距離をもって相対移動方向にずらして配置することで、上記図８に示した信号が９０゜の位相差を有する２相の信号として得ることができる（ｍは整数）。従って、この２相の信号に基づき相対的な移動量を出力する信号をつくることができるので、このように配置された磁性金属センサを用いて位置検出装置を構成することが可能となる。
【００６６】
つぎに、磁性金属センサ２に磁気インピーダンス効果素子を適用した場合について説明する。
【００６７】
これまで本発明の実施の形態の金属片カウンタを説明するにあたり、略Ｕ字型のコア２２の垂直部２２ａ，２２ｂにコイル２３，２４を巻いた感磁部２１を備える磁性金属センサ２を適用した場合を示したが、この金属片カウンタでは、例えば、特開平６−２８１７１２号公報で提案されているようないわゆる磁気インピーダンス効果（ＭＩ）素子４１，４２を感磁部２１に適用することも可能である。
【００６８】
このＭＩ素子４１，４２は、材質がＦｅ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｂ等で構成されたアモルファス合金からなる。このＭＩ素子は、図１０に示すように、略ワイヤ形状となっている。このＭＩ素子４１，４２は、長手方向に対して高周波通電すると、この長手方向に入射する外部磁界に対してインピーダンス変化が生じる。
【００６９】
このＭＩ素子４１，４２を磁性金属センサ２に適用した場合の配置関係を図１１に示す。
【００７０】
このＭＩ素子４１，４２は、所定のギャップ幅ｇをもって長手方向が平行となるよう配置され、その配置位置が上述した垂直部２２ａ，２２ｂに対応する位置となっている。また、このＭＩ素子４１，４２は、磁石２５により長手方向に平行な磁界が与えられ、この方向に入射する外部磁界に対する感度が非常に高くなっている。また、このＭＩ素子４１，４２は、この方向の外部磁界に対してインピーダンス変化が生じ、その変化率が非常に大きくなっている。
【００７１】
また、ＭＩ素子４１，４２は、高周波のパルス電流で励磁される。ここで、ＭＩ素子４１，４２は、感磁方向が同一となるような同相の高周波パルス電流で励磁され、その極性が同一となっている。
【００７２】
このようなＭＩ素子４１，４２は、信号線を介してこの磁性金属センサ２の外部に設けられた駆動検出回路と接続される。これらＭＩ素子４１，４２は、この駆動検出回路から励磁電流が供給され、この駆動検出回路により出力が検出される。
【００７３】
図１２にこのＭＩ素子４１，４２の駆動検出回路の回路図を示す。
【００７４】
駆動検出回路４０は、発振回路３４と、発振回路３４からのパルス信号に基づきＭＩ素子の駆動電流をスイッチングするスイッチング回路３５と、ＭＩ素子４１の出力電圧を検出して平滑化する平滑回路３６ａと、ＭＩ素子４２の出力電圧を検出して平滑化する平滑回路３６ｂと、平滑化されたＭＩ素子４１，４２の出力どうしを比較する比較回路３８とを備えている。
【００７５】
ＭＩ素子４１，４２は、それぞれ並列的に接続されて励磁されている。
【００７６】
ＭＩ素子４１は、一端が抵抗Ｒ１を介して電源電圧Ｖｃｃが供給され、他端がスイッチング回路３５を介して接地されている。また、ＭＩ素子４２は、一端が上記抵抗Ｒ１と同一の抵抗値の抵抗Ｒ２を介して電源電圧Ｖｃｃが供給され、他端がスイッチング回路３５を介して接地されている。このＭＲ素子４１，４２は、それぞれ抵抗Ｒ１，Ｒ２との接続点から検出出力が取り出される。
【００７７】
発振回路３４は、例えば、周波数１ＭＨｚ，デューティ比１：１０のパルス信号を発生する。スイッチング回路３５は、このパルス信号に基づき、並列接続されたＭＩ素子４１，４２に流れる電流をスイッチングする。このことにより、これらＭＩ素子４１，４２は、高周波パルス電流で励磁される。
【００７８】
平滑回路３６ａは、ＭＩ素子４１と抵抗Ｒ１との接続点の電圧を検出して平滑化する。平滑回路３６ｂは、ＭＩ素子４２と抵抗Ｒ２との接続点の電圧を検出して平滑化する。
【００７９】
比較回路３８は、平滑回路３６ａにより平滑化されたＭＩ素子４１の出力電圧と、平滑回路３６ｂにより平滑化されたＭＩ素子４２の出力電圧とを比較して２値化し、その２値化した信号を例えば図示しない制御回路等に供給する。
【００８０】
この図示しない制御回路等が、この比較回路３８により２値化した信号のパルス数をカウントすることにより上記金属片１１の検出数を求めることができ、この検出数から磁性金属センサ２と被検出体１との相対移動位置を検出することができる。
【００８１】
従って、この駆動検出回路４０は、ＭＩ素子４１，４２に高周波のパルス電流を励磁し、また、ＭＩ素子４１とＭＩ素子４２との出力を検出することができる。
【００８２】
このことから、ＭＩ素子４１，４２を適用した磁性金属センサ２では、ＭＩ素子４１，４２のいずれか一方に金属片１１が接近すると、磁石２５により与えられている磁界が変化する。このとき、他方のＭＩ素子４１，４２には金属片１１が接近せず、磁石２５から与えられる磁界は一方のＭＩ素子と差動的に変化する。そのため、この磁性金属センサ２に何等磁界や金属が接近していないときの２つのＭＩ素子４１とＭＩ素子４２との出力電圧をスレッショルドレベルとした場合、複数の金属片１１を通過するにつれ、このスレッショルドレベルを上下する差動電圧を得ることができる。従って、この磁性金属センサ２では、この磁界の変化に応じて生じたインピーダンスの変化を、２つのＭＩ素子４１，４２との間で比較することにより、この磁性金属センサ２と被検出体１との相対移動を容易かつ確実に検出することができる。
【００８３】
以上のような磁性金属センサ２では、ＭＩ素子を用いるため、コストが安くまた特性が良くことができる。
【００８４】
なお、以上実施の形態を説明するにあたり被検出体１が平行移動すると説明したが、本発明では、被検出体１とセンサ２との間で相対移動すればよいので、磁性金属センサ２側が平行移動しても良い。また、被検出体を円形状に構成し、回転数や角度を測定するようにしても良い。
【００８５】
また、実施の形態で示した磁性金属センサ２の駆動検出回路３０，４０の回路構成は、一例であり、本発明ではその回路構成が限定されるものではない。
【００８６】
また、本発明は、以上の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、その他様々な構成を取り得ることは勿論である。
【００８７】
【発明の効果】
本発明に係る磁性金属センサでは、一対の磁電変換手段の両者の検出信号を比較して、所定の間隔λで並列に配置された複数の磁性金属片を検出することにより、高精度、高速かつ確実に、微小な磁性金属片を検出することができる。
【００８８】
本発明に係る磁性金属検出システムでは、磁性金属センサの一対の磁電変換部の両者の検出信号を比較して、所定の間隔λで並列に配置された複数の磁性金属片を検出することにより、高精度、高速かつ確実に、微小な磁性金属片を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の金属片カウンタの斜視図である。
【図２】上記金属片カウンタの被検出体の要部の平面図、及び、この被検出体の金属片の側面図である。
【図３】上記金属片カウンタの磁性金属センサの部分断面図である。
【図４】上記磁性金属センサに設けられた感磁部及びこの感磁部のコアを示す図である。
【図５】上記磁性金属センサの駆動検出回路を示す回路図である。
【図６】上記被検出体と上記磁性金属センサの配置関係を示す図である。
【図７】上記磁性金属センサの検出動作を説明する図である。
【図８】上記磁性金属センサの検出動作を説明する図である。
【図９】上記磁性金属センサと被検出体の相対移動位置に対する駆動検出回路の出力電圧を表す図である。
【図１０】ＭＩ素子を説明する図である。
【図１１】上記ＭＩ素子を適用した場合の本発明の実施の形態の金属片カウンタの磁性金属センサの配置関係を説明する図である。
【図１２】上記ＭＩ素子を適用した金属片カウンタの磁性金属センサの駆動検出回路の回路図である。
【符号の説明】
１ 被検出体、２ 磁性金属センサ、３ センサ固定台、１１ 金属片、１１ａ 検出面、１２ 指示部、２１ 感磁部、２２ コア、２２ａ，２２ｂ 垂直部、２２ｃ 接続部、２３，２４ コイル、２５ 磁石、３０，４０ 駆動検出回路、３４ 発振回路、３５ スイッチング回路、３６，３６ａ，３６ｂ 平滑回路、３７ 基準電圧回路、３８ 比較回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性金属片の有無を検出する磁性金属センサ及びこの磁性金属センサを用いた磁性金属検出システムに関し、特に、複数の磁性金属片が所定の間隔で並列に配置された被検出部から、この磁性金属片を検出する磁性金属センサ及び磁性金属検出システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、磁性金属の存在の有無を検出する磁性金属センサとして、渦電流方式のセンサが知られている。
【０００３】
このような磁性金属センサは、例えば、ギヤの歯数を検出してギヤの回転速度や回転角度を制御する工作機械等のシステムや、布や化学繊維等の編み機などで繊維を編み込む為に用いられる櫛状の編み棒の棒数を検出して編み棒の移動位置を制御するシステム等に用いることが求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、渦電流方式の磁性金属センサでは、このセンサを構成するコイルよりも磁性金属片が小さくなると急激に検出出力が低下するため、微小な金属片を検出することが困難であった。
【０００５】
また、上述した渦電流方式の磁性金属センサでは、応答速度が遅いため、高速に動作する磁性金属片を検出することが困難であった。
【０００６】
以上の理由から従来の磁性金属センサを上述した工作機械等のシステム等に適用することが困難であった。
【０００７】
本発明は、このような実情を鑑みてなされたものであり、高精度、高速かつ確実に、微小な磁性金属片を検出する磁性金属センサ及び磁性金属検出システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明に係る磁性金属センサは、複数の磁性金属片が所定の間隔λで並列に配置された被検出部に対して、この複数の磁性金属片が並列に配置された方向に相対移動して、上記磁性金属片を検出する磁性金属センサにおいて、感磁方向の磁界変化に応答する軟磁性材料からなる感磁素子を有し、互いの感磁素子の感磁方向に垂直な方向の間隔がｇとされ、当該感磁素子に生じる感磁方向の磁界変化に応じた電気信号を出力する一対の磁電変換手段と、上記一対の磁電変換手段の各感磁素子に対して、感磁方向の磁界を与える磁界発生手段とを備え、上記一対の磁電変換手段は、磁化極性が互いに同一となるように高周波信号で励磁駆動され、上記一対の磁電変換手段は、インピーダンスの変化量に基づき磁性金属片の検出信号が生成され、上記一対の磁電変換手段は、上記被検出部との相対移動方向に対して上記感磁方向が垂直となり、且つ、互いの感磁素子同士の上記相対移動方向に対する間隔ｇ´が
ｇ´＝（ｎ＋１／２）×λ ：ｎは０以上の整数、且つ、ｇ´＜ｇ
となるように、配設されることを特徴とする。
【０００９】
この磁性金属センサでは、上記被検出部に対して相対移動することによって、並列に配置された各磁性金属片の影響による磁界変化に、一対の磁電変換手段が順次応答していく。この際、一方の磁電変換手段が、１の磁性金属片の影響により応答したときに、他方の磁電変換手段では、いずれの磁性金属片の影響によっても応答しない。
【００１０】
そのため、上記磁性金属センサでは、上記一対の磁電変換手段の互いの検出信号の差分の値が、いずれの感磁部にも磁性金属片による応答が無いときの検出信号の差分の値を中心として、正負に振れる。
【００１１】
また、本発明に係る磁性金属検出システムは、複数の磁性金属片が所定の間隔λで並列に配置された被検出部と、上記複数の磁性金属片が並列に配置された方向に、上記被検出部に対して相対移動するように設けられた磁性金属センサと、上記磁性金属センサを駆動するとともに、上記磁性金属センサの検出信号に基づき上記被検出部の各磁性金属片を検出する駆動検出部とを備える磁性金属検出システムであって、上記磁性金属センサは、感磁方向の磁界変化に応答する軟磁性材料からなる感磁素子を有し、互いの感磁素子の感磁方向に垂直な方向の間隔がｇとされ、当該感磁素子に生じる感磁方向の磁界変化に応じた電気信号を出力する一対の磁電変換手段と、上記一対の磁電変換手段の各感磁素子に対して感磁方向の磁界を与える磁界発生手段とを具備しており、上記駆動検出部は、磁化極性が互いに同一となるように高周波信号によって上記一対の磁電変換手段を励磁駆動するとともに、上記一対の磁電変換手段のインピーダンスの変化量に基づき磁性金属片の検出信号を生成し、上記一対の磁電変換手段は、上記被検出部との相対移動方向に対して上記感磁方向が垂直となり、且つ、互いの感磁素子同士の上記相対移動方向に対する間隔ｇ´が
ｇ´＝（ｎ＋１／２）×λ ：ｎは０以上の整数、且つ、ｇ´＜ｇ
となるように、配設されることを特徴とする。
【００１２】
この磁性金属検出システムでは、上記磁性金属センサが、並列に配置された各磁性金属片に対して相対移動することによって、各磁性金属片の影響による磁界変化に、上記一対の磁電変換手段が順次応答していく。
【００１３】
この際、一方の磁電変換手段が、１の磁性金属片の影響により応答したときに、他方の磁電変換手段では、いずれの磁性金属片の影響によっても応答しない。
【００１４】
そのため、上記磁性金属センサを相対移動させた場合に、上記一対の磁電変換手段の互いの検出信号の差分の値は、いずれの感磁素子にも磁性金属片による応答が無いときの検出信号の差分の値を中心として、正負に振れる。
【００１５】
従って、この磁性金属検出システムでは、上記磁性金属センサの一対の磁電変換手段の両者の検出信号を比較して、所定の間隔λで並列に配置された複数の磁性金属片を検出する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態として、本発明を適用した金属片カウンタについて、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１に、実施の形態の金属片カウンタの斜視図を示す。
【００１８】
実施の形態の金属片カウンタは、被検出体１と、センサ固定台３上に固定された磁性金属センサ２とから構成される。
【００１９】
被検出体１は、所定間隔λで並列に配置された複数の金属片１１を有している。これら複数の金属片１１は、鉄、コバルト等の磁性金属からなり、例えば、直方体の形状となっている。これら複数の金属片１１は、それぞれの長手方向の一端部が指示部１２に取り付けられており、全体として被検出体１を構成している。
【００２０】
金属片１１の寸法は、図２（ａ）の平面図、及び、この図２（ａ）においてＡ方向から見た図２（ｂ）の側面図に示すように、例えば、長手方向の長さｌ１，幅ｗ１，高さｈ１が、それぞれ５．０ｍｍ，０．５ｍｍ，２．０ｍｍとなっている。また、金属片１１の並列配置の間隔λは、１．０ｍｍとなっている。なお、この金属片１１の図２（ａ）に示すＡ方向から見た側面、すなわち、金属片１１の長手方向の指示部１２が取り付けられていない他端部の側面を、以下検出面１１ａと呼ぶ。
【００２１】
また、被検出体１の指示部１２の側面には、駆動軸１３が取り付けられている。この駆動軸１３は、図示しない駆動機構に接続されている。この駆動機構は、例えば、制御回路等の制御に基づき、金属片１１が並列に配置された方向であるａ１方向及びａ２方向に、被検出体１を平行移動させる。
【００２２】
図３に、磁性金属センサ２の構造を示す。
【００２３】
磁性金属センサ２は、略Ｕ字状の開磁路型のコア２２にコイル２３及びコイル２４が巻かれた感磁部２１と、この感磁部２１に磁界を与える磁石２５とを備えている。
【００２４】
感磁部２１のコア２２は、図４（ａ）に示すように、略直方体の垂直部２２ａ、２２ｂが、所定のギャップ幅ｇをもって長手方向が平行となるよう配置されている。この垂直部２２ａ，２２ｂは、その長手方向の一端部が接続部２２ｃに接続され、全体として略Ｕ字状のコア２２が一体成形されている。このコア２２は、例えば、ＮｉＦｅ組成のパーマロイ等やＦｅ，Ｃｏ，Ｓｉ，Ｂ等で構成されたアモルファス材料等の軟磁性を示す材料からなる。
【００２５】
このコア２２の各部位の寸法は、例えば、垂直部２２ａ，２２ｂの長手方向の長さｌ２，幅ｗ２，高さｈ２が、それぞれ３．５ｍｍ，０．５ｍｍ，０．０５ｍｍとなっている。また、この垂直部２２ａ，２２ｂとの間のギャップ幅ｇが１．０ｍｍとなっており、コア２２全体の寸法は、長手方向の長さｌ３，幅ｗ３，厚さｈ２が、それぞれ５．０ｍｍ，２．０ｍｍ，０．０５ｍｍとなっている。
【００２６】
このような形状のコア２２には、図４（ｂ）に示すように、それぞれ筒状のボビン２９ａ，２９ｂの外周をガイドにして、垂直部２２ａ及び垂直部２２ｂに対してコイル２３，２４が巻かれている。これらコイル２３，２４は、その中心軸が上記垂直部２２ａ，２２ｂの長手方向に平行となるように巻かれている。このようなコイル２３，２４は、例えば、直径０．０５ｍｍの銅線が、それぞれ５０回ずつ巻かれて構成される。
【００２７】
以上のような感磁部２１は、コア２２の垂直部２２ａ，ｂの長手方向（図４で示すｘ方向）へ平行に入射する外部磁界に対する感度が非常に高くなっている。また、感磁部２１は、このｘ方向に平行入射する外部磁界に対してインピーダンス変化が生じ、その変化率が非常に大きくなっている。なお、このコア２２の垂直部２２ａ，ｂの長手方向すなわち図４で示すｘ方向を、以下この感磁部２１の感磁方向として説明を行う。
【００２８】
また、感磁部２１のコイル２３，２４は、高周波のパルス電流で励磁される。ここで、コイル２３，２４の巻き線方向と励磁する高周波パルス電流の電流方向との関係は、その極性が同一である関係にある。つまり、コイル２３に発生する磁界Ｈ１とコイル２４に発生する磁界Ｈ１′とが、同一の方向となるような関係にある。例えば、コイル２３とコイル２４との巻き線方向が同一である場合はそれぞれに同相の高周波パルス電流が励磁され、また、コイル２３とコイル２４との巻き線方向が逆である場合はそれぞれに逆相の高周波パルス電流が励磁される関係となっている。
【００２９】
このようなコイル２３，２４は、端子台２６において信号線３１，３２，３３と接続され、この信号線３１，３２，３３を介して例えばこの磁性金属センサ２の外部に設けられた駆動検出回路と接続される。これらコイル２３，２４は、この駆動検出回路から励磁電流が供給され、この駆動検出回路により出力が検出される。
【００３０】
図５にこの駆動検出回路の回路図を示す。
【００３１】
駆動検出回路３０は、発振回路３４と、発振回路３４からのパルス信号に基づきコイル２３，２４の駆動電流をスイッチングするスイッチング回路３５と、コイル２３，２４の出力電圧を検出して平滑化する平滑回路３６と、コイル２３，２４のスレッショルドレベルを決定する基準電圧回路３７と、平滑化されたコイル２３，２４の出力とスレッショルドレベルを比較する比較回路３８とを備えている。
【００３２】
感磁部２１のコイル２３，２４は、この図５に示すように直列接続されている。この直列接続されたコイル２３，２４の一端から電源電圧Ｖｃｃが印加され、他端がスイッチング回路３５を介して接地されている。また、このコイル２３，２４の中点Ｍの電圧が検出出力として取り出される。
【００３３】
発振回路３４は、例えば、周波数１ＭＨｚ，デューティ比１：１０のパルス信号を発生する。スイッチング回路３５は、このパルス信号に基づき、直列接続されたコイル２３，２４に流れる電流をスイッチングする。このことにより、これらコイル２３，２４は、高周波パルス電流で励磁される。
【００３４】
平滑回路３６は、直列接続されたコイル２３，２４の中点Ｍの電圧を検出して平滑化する。基準電圧回路３７は、例えば、電源電圧を所定の値の抵抗で分圧して、基準電圧を発生する。この基準電圧は、比較回路３８に対して、コイル２３，２４の出力のスレッショルドレベルとして与えられる。
【００３５】
ここで、この基準電圧の値は、磁性金属センサ２に対して何等磁界や金属が近接していない状態における直列接続されたコイル２３，２４の中点Ｍの電圧である。例えば、コイル２３，２４の与えられた磁界に対する変化率や磁界が与えられていないときの抵抗値が同一であれば、この基準電圧は、電源電圧Ｖｃｃの１／２となる。
【００３６】
比較回路３８は、平滑回路３６から供給される平滑化されたコイル２３，２４の中点Ｍの電圧と、基準電圧回路３７から供給されるスレッショルドレベルの基準電圧とを比較して２値化し、その２値化した信号を例えば図示しない制御回路等に供給する。
【００３７】
この図示しない制御回路等が、この比較回路３８により２値化した信号のパルス数をカウントすることにより上記金属片１１の検出数を求めることができ、この検出数から磁性金属センサ２と被検出体１との相対移動位置を検出することができる。
【００３８】
以上のように駆動検出回路３０は、コイル２３，２４に高周波のパルス電流を励磁し、また、コイル２３，２４の出力を検出することができる。
【００３９】
また、磁石２５は、上記感磁部２１に対して感磁方向に平行で一様な磁界を与えるように、位置決め部２５ａにより感磁部２１と所定間隔を保って位置決めされて固定される。この磁石２５は、感磁部２１の接続部２２ｃに対向する位置に設けられ、感磁部２１に対してコア２２の接続部２２ｃ側から感磁方向に平行な磁界を与える。例えば、この磁石２５は、１×１×２ｍｍの直方体のフェライト磁石からなり、１×２ｍｍの面が上記感磁部２１の接続部２２ｃに対向するように配置される。この場合、磁石２５は、この１×２ｍｍの面に垂直となるように、例えば、表面磁束密度が約６００Ｇで着磁される。
【００４０】
また、感磁部２１と磁石２５との間の距離ｌｘは、この磁石２５の強さと、この感磁部２１の磁界に対するインピーダンス特性に応じて定められる。具体的には、コイル２３，２４のいずれかのコイルに対して磁石２５による磁界を与え、出力の最大値（すなわち、この磁石２５から与えられた磁界により飽和状態となった場合の出力）及び出力の最小値（すなわち、この磁石２５からの磁界が及んでいない場合の出力）を検出する。そして、これら検出した値の中間の値となるような位置を求め、このときの感磁部２１と磁石２５との間の距離をｌｘとして定める。例えば、上述した感磁部２１及び磁石２５の場合では、距離ｌｘを２ｍｍと定めることができる。
【００４１】
なお、この磁石２５は、フェライト磁石に限られず、例えば、Ｓｍ系やＺｎＭｎ系の永久磁石、又は、電磁石等を用いても良い。また、磁石２５に電磁石を用いた場合には、電流量により発生する磁界を制御することができるので、上記距離ｌｘの調整をこの電流量に依存させることもできる。
【００４２】
以上のような磁石２５は、感磁部２１に対して感磁方向のバイアス磁界を与えることができ、このため、外部磁界に対してインピーダンスの変化が直線的であり、かつ、インピーダンス変化が急峻な特性を示す範囲で、この感磁部２１を使用することができる。
【００４３】
そして、このような略Ｕ字状の開磁路型のコア２２にコイル２３及びコイル２４が巻かれた感磁部２１と、この感磁部２１に感磁方向の磁界を与える磁石２５等は、例えば、その保護のため、エポキシ樹脂が封入された状態でアルミケース２７に収容され、全体として磁性金属センサ２を構成する。
【００４４】
以上説明したように磁性金属センサ２では、開磁路を形成したコア２２を備える感磁部２１を有し、この感磁部２１に対して磁石２５により感磁方向の磁界が与えられている。また、この感磁部２１のコア２２には、並列に配置され、極性が同一のコイル２３及びコイル２４が設けられている。従って、この磁性金属センサ２では、感磁部２１に備えられるコア２２に巻かれたコイル２３，２４のいずれか一方に磁性金属が接近すると、磁石２５により与えられている磁界が乱れて変化する。そのため、この磁性金属センサ２では、この磁界の変化に応じて生じるインピーダンスの変化を検出回路により検出することにより、磁性金属が近接したかどうかを検出することができる。
【００４５】
つぎに、上記被検出体１と上記磁性金属センサ２との配置の関係について説明する。
【００４６】
被検出体１が上述したように図示しない駆動機構により図１中に示したａ１，ａ２方向、すなわち、金属片１１が並列に配置された方向に平行移動するのに対し、磁性金属センサ２は、センサ固定台３上に固定されて設置される。また、この磁性金属センサ２は、被検出体１が金属片１１が並列に配置された方向に対して平行移動した場合おいて、各金属片１１の検出面１１ａに、上記感磁部２１のＵ字状のコア２２の開口部が対向するように設置される。すなわち、この磁性金属センサ２は、感磁部２１の感磁方向（図４に示すｘ方向）が金属片１１の長手方向に一致し、上記被検出体１の移動方向ａ１，ａ２に垂直となるように配置される。
【００４７】
また、この磁性金属センサ２は、図６に示すように、被検出体１の移動方向ａ１，ａ２におけるコア２２の垂直部２２ａ及び垂直部２２ｂの幅ｇ′が、金属片１１が並列に配置された間隔λに対して、（ｎ＋１／２）λとなるように、所定の角度をもって配置される（但し、ｎは、０以上の整数。）。すなわち、この磁性金属センサ２は、コア２２の垂直部２２ａが、１の金属片１１の検出面１１ａに対向するときに、他方の垂直部２２ｂがいずれの検出面１１ａとも対向しない位置となるように、角度を設定してセンサ固定台３上に配置される。
【００４８】
例えば、上述したような寸法のコア２２及び金属片１１であれば、この垂直部２２ａと垂直部２２ｂとを結ぶ直線と、被検出体１の移動方向ａ１，ａ２との角度θを、以下のように定めることができる。
【００４９】
【００５０】
従って、この交互に繰り返される検出出力をカウントすることによって、被検出体１の移動位置を検出することができる。
【００５１】
つぎに、磁性金属センサ２の金属片１１の検出動作について説明する。
【００５２】
まず、１つの金属片１１を、この磁性金属センサ２のコイル２３からコイル２４にかけて通過させた場合の検出出力について図７を用いて説明する。なお、この図７は、横軸に、１つのみで構成される金属片１１のコイル２３，２４に対する位置を表し、縦軸に、図５に示す駆動検出回路３０において検出したコイル２３とコイル２４を直列接続した場合の中点Ｍの電圧を表している。また、縦軸のスレッショルドレベルは、上述したようにこの磁性金属センサ２に何等磁界や金属を近づけていない場合の中点Ｍの電圧を表している。
【００５３】
金属片１１がコイル２３及びコイル２４のいずれにも接近していない位置Ｐ１にある場合には、コイル２３及びコイル２４を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗は変化せず、磁石２５から与えられる磁束の本数に変化は生じていない。従って、コイル２３及びコイル２４のいずれのインピーダンスも変化しないので、中点Ｍの電位は、スレッショルドレベルにある。
【００５４】
続いて、金属片１１がコイル２３に接近していくと、金属片１１の透磁率が空気の透磁率よりも大きいことから、このコイル２３を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗が小さくなっていき、磁石２５から与えられる磁束の本数が増加する。それに対し、コイル２４は金属片１１に応答しないため、コイル２４を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗はコイル２３側の磁束が増加する分だけ減少する。そのため、コイル２３のインピーダンスが小さくなっていき、それに対して、コイル２４のインピーダンスは大きくなっていく。従って、金属片１１がコイル２３に接近するにつれて、中点Ｍの電位は、スレッショルドレベルから順次高くなっていく。そして、金属片１１がコイル２３に最も接近した位置Ｐ２となる場合に、中点Ｍの電位が最も高くなる。
【００５５】
続いて、金属片１１がコイル２３に最も接近した位置Ｐ２からコイル２４に接近していくと、コイル２３から金属片１１が離れていくため、コイル２３を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗が大きくなっていき、磁石２５から与えられる磁束の本数が減少していく。それに対して、コイル２４に金属片１１が接近するため、コイル２４を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗は小さくなっていく。そのため、コイル２３のインピーダンスが大きくなっていき、同時に、コイル２４のインピーダンスが小さくなっていく。従って、金属片１１がコイル２３からコイル２４に接近するにつれて、中点Ｍの電位は順次低くなっていく。そして、金属片１１がコイル２３とコイル２４の中間位置Ｐ３に来ると中点Ｍの電位はスレッショルドレベルとなり、金属片１１がコイル２４に最も接近した位置Ｐ４となると中点Ｍの電位が最も低くなる。
【００５６】
続いて、金属片１１がコイル２４に最も接近した位置Ｐ４から、コイル２３及びコイル２４のいずれにも接近していない位置Ｐ５に移動すると、コイル２３及びコイル２４を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗がいずれも金属片１１に応答しなくなる。従って、コイル２３及びコイル２４のいずれのインピーダンスも変化しないので、中点Ｍの電位が、スレッショルドレベルとなる。
【００５７】
以上のように、磁性金属センサ２では、金属片１１がコイル２３からコイル２４にかけて通過すると、中点Ｍの電位が、金属片１１が接近していないときの電位をスレッショルドレベルとして、プラスマイナスに振れる。従って、この磁性金属センサ２では、このスレッショルドレベルを中心に検出出力を比較することによって、金属片１１の位置を容易かつ確実に検出することができる。
【００５８】
つぎに、コイル２３とコイル２４の間隔をλ／２にした磁性金属センサ２を、間隔λで並列に配置された複数の金属片１１に対して相対的に移動させた場合の検出出力について図８を用いて説明する。なお、この図８は、横軸に、複数の金属片１１に対する磁性金属センサ２の位置を表し、縦軸に、図５に示す駆動検出回路３０においてコイル２３とコイル２４を直列接続した場合の中点Ｍの電圧を表している。また、縦軸のスレッショルドレベルは、上述したようにこの磁性金属センサ２に何等磁界や金属を近づけていない場合の中点Ｍの電圧を表している。
【００５９】
この磁性金属センサ２では、コイル２３に１つの金属片１１が最も接近した位置にあるときには、コイル２４にはいずれの金属片１１も接近していない。そのため、コイル２３が金属片１１に応答している状態において、コイル２４が金属片１１に応答していない。従って、検出出力となる中点Ｍの電位は、スレッショルドレベルよりも大きくなっている。
【００６０】
また、この磁性金属センサ２では、コイル２４に１つの金属片１１が最も接近した位置にあるときには、コイル２３にはいずれの金属片１１も接近していない。そのため、コイル２４が金属片１１に応答している状態において、コイル２３が金属片１１に応答していない。従って、検出出力となる中点Ｍの電位は、スレッショルドレベルよりも小さくなる。
【００６１】
従って、この磁性金属センサ２では、間隔λで並列に配置された複数の金属片１１に対して相対的に移動させた場合、スレッショルドレベルを中心に上下に振れる信号を検出出力として得ることができる。
【００６２】
なお、図９に、一例として、上述した寸法の磁性金属センサ２と金属片１１を適用した場合の、磁性金属センサ２と金属片１１の相対移動位置に対する直列接続したコイル２３とコイル２４の中点Ｍの電位の関係を表した図を示す。
【００６３】
以上のように、磁性金属センサ２では、間隔λで並列に配置された複数の金属片１１に対して相対的に移動させた場合における検出出力を、金属片１１がコイル２３，２４のいずれにも接近していない位置の中点Ｍの電位をスレッショルドレベルとして比較することにより、１の金属片１１の数を容易かつ確実に検出することができる。
【００６４】
従って、本発明の実施の形態の金属片カウンタでは、この磁性金属センサ２の検出出力に基づき金属片１１の数をカウントすることによって、磁性金属センサ２と被検出体１の相対位置を求めることができる。
【００６５】
また、更に別の磁性金属センサを上記磁性金属センサ２と（ｍ±１／４）λの距離をもって相対移動方向にずらして配置することで、上記図８に示した信号が９０゜の位相差を有する２相の信号として得ることができる（ｍは整数）。従って、この２相の信号に基づき相対的な移動量を出力する信号をつくることができるので、このように配置された磁性金属センサを用いて位置検出装置を構成することが可能となる。
【００６６】
つぎに、磁性金属センサ２に磁気インピーダンス効果素子を適用した場合について説明する。
【００６７】
これまで本発明の実施の形態の金属片カウンタを説明するにあたり、略Ｕ字型のコア２２の垂直部２２ａ，２２ｂにコイル２３，２４を巻いた感磁部２１を備える磁性金属センサ２を適用した場合を示したが、この金属片カウンタでは、例えば、特開平６−２８１７１２号公報で提案されているようないわゆる磁気インピーダンス効果（ＭＩ）素子４１，４２を感磁部２１に適用することも可能である。
【００６８】
このＭＩ素子４１，４２は、材質がＦｅ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｂ等で構成されたアモルファス合金からなる。このＭＩ素子は、図１０に示すように、略ワイヤ形状となっている。このＭＩ素子４１，４２は、長手方向に対して高周波通電すると、この長手方向に入射する外部磁界に対してインピーダンス変化が生じる。
【００６９】
このＭＩ素子４１，４２を磁性金属センサ２に適用した場合の配置関係を図１１に示す。
【００７０】
このＭＩ素子４１，４２は、所定のギャップ幅ｇをもって長手方向が平行となるよう配置され、その配置位置が上述した垂直部２２ａ，２２ｂに対応する位置となっている。また、このＭＩ素子４１，４２は、磁石２５により長手方向に平行な磁界が与えられ、この方向に入射する外部磁界に対する感度が非常に高くなっている。また、このＭＩ素子４１，４２は、この方向の外部磁界に対してインピーダンス変化が生じ、その変化率が非常に大きくなっている。
【００７１】
また、ＭＩ素子４１，４２は、高周波のパルス電流で励磁される。ここで、ＭＩ素子４１，４２は、感磁方向が同一となるような同相の高周波パルス電流で励磁され、その極性が同一となっている。
【００７２】
このようなＭＩ素子４１，４２は、信号線を介してこの磁性金属センサ２の外部に設けられた駆動検出回路と接続される。これらＭＩ素子４１，４２は、この駆動検出回路から励磁電流が供給され、この駆動検出回路により出力が検出される。
【００７３】
図１２にこのＭＩ素子４１，４２の駆動検出回路の回路図を示す。
【００７４】
駆動検出回路４０は、発振回路３４と、発振回路３４からのパルス信号に基づきＭＩ素子の駆動電流をスイッチングするスイッチング回路３５と、ＭＩ素子４１の出力電圧を検出して平滑化する平滑回路３６ａと、ＭＩ素子４２の出力電圧を検出して平滑化する平滑回路３６ｂと、平滑化されたＭＩ素子４１，４２の出力どうしを比較する比較回路３８とを備えている。
【００７５】
ＭＩ素子４１，４２は、それぞれ並列的に接続されて励磁されている。
【００７６】
ＭＩ素子４１は、一端が抵抗Ｒ１を介して電源電圧Ｖｃｃが供給され、他端がスイッチング回路３５を介して接地されている。また、ＭＩ素子４２は、一端が上記抵抗Ｒ１と同一の抵抗値の抵抗Ｒ２を介して電源電圧Ｖｃｃが供給され、他端がスイッチング回路３５を介して接地されている。このＭＲ素子４１，４２は、それぞれ抵抗Ｒ１，Ｒ２との接続点から検出出力が取り出される。
【００７７】
発振回路３４は、例えば、周波数１ＭＨｚ，デューティ比１：１０のパルス信号を発生する。スイッチング回路３５は、このパルス信号に基づき、並列接続されたＭＩ素子４１，４２に流れる電流をスイッチングする。このことにより、これらＭＩ素子４１，４２は、高周波パルス電流で励磁される。
【００７８】
平滑回路３６ａは、ＭＩ素子４１と抵抗Ｒ１との接続点の電圧を検出して平滑化する。平滑回路３６ｂは、ＭＩ素子４２と抵抗Ｒ２との接続点の電圧を検出して平滑化する。
【００７９】
比較回路３８は、平滑回路３６ａにより平滑化されたＭＩ素子４１の出力電圧と、平滑回路３６ｂにより平滑化されたＭＩ素子４２の出力電圧とを比較して２値化し、その２値化した信号を例えば図示しない制御回路等に供給する。
【００８０】
この図示しない制御回路等が、この比較回路３８により２値化した信号のパルス数をカウントすることにより上記金属片１１の検出数を求めることができ、この検出数から磁性金属センサ２と被検出体１との相対移動位置を検出することができる。
【００８１】
従って、この駆動検出回路４０は、ＭＩ素子４１，４２に高周波のパルス電流を励磁し、また、ＭＩ素子４１とＭＩ素子４２との出力を検出することができる。
【００８２】
このことから、ＭＩ素子４１，４２を適用した磁性金属センサ２では、ＭＩ素子４１，４２のいずれか一方に金属片１１が接近すると、磁石２５により与えられている磁界が変化する。このとき、他方のＭＩ素子４１，４２には金属片１１が接近せず、磁石２５から与えられる磁界は一方のＭＩ素子と差動的に変化する。そのため、この磁性金属センサ２に何等磁界や金属が接近していないときの２つのＭＩ素子４１とＭＩ素子４２との出力電圧をスレッショルドレベルとした場合、複数の金属片１１を通過するにつれ、このスレッショルドレベルを上下する差動電圧を得ることができる。従って、この磁性金属センサ２では、この磁界の変化に応じて生じたインピーダンスの変化を、２つのＭＩ素子４１，４２との間で比較することにより、この磁性金属センサ２と被検出体１との相対移動を容易かつ確実に検出することができる。
【００８３】
以上のような磁性金属センサ２では、ＭＩ素子を用いるため、コストが安くまた特性が良くことができる。
【００８４】
なお、以上実施の形態を説明するにあたり被検出体１が平行移動すると説明したが、本発明では、被検出体１とセンサ２との間で相対移動すればよいので、磁性金属センサ２側が平行移動しても良い。また、被検出体を円形状に構成し、回転数や角度を測定するようにしても良い。
【００８５】
また、実施の形態で示した磁性金属センサ２の駆動検出回路３０，４０の回路構成は、一例であり、本発明ではその回路構成が限定されるものではない。
【００８６】
また、本発明は、以上の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、その他様々な構成を取り得ることは勿論である。
【００８７】
【発明の効果】
本発明に係る磁性金属センサでは、一対の磁電変換手段の両者の検出信号を比較して、所定の間隔λで並列に配置された複数の磁性金属片を検出することにより、高精度、高速かつ確実に、微小な磁性金属片を検出することができる。
【００８８】
本発明に係る磁性金属検出システムでは、磁性金属センサの一対の磁電変換部の両者の検出信号を比較して、所定の間隔λで並列に配置された複数の磁性金属片を検出することにより、高精度、高速かつ確実に、微小な磁性金属片を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の金属片カウンタの斜視図である。
【図２】上記金属片カウンタの被検出体の要部の平面図、及び、この被検出体の金属片の側面図である。
【図３】上記金属片カウンタの磁性金属センサの部分断面図である。
【図４】上記磁性金属センサに設けられた感磁部及びこの感磁部のコアを示す図である。
【図５】上記磁性金属センサの駆動検出回路を示す回路図である。
【図６】上記被検出体と上記磁性金属センサの配置関係を示す図である。
【図７】上記磁性金属センサの検出動作を説明する図である。
【図８】上記磁性金属センサの検出動作を説明する図である。
【図９】上記磁性金属センサと被検出体の相対移動位置に対する駆動検出回路の出力電圧を表す図である。
【図１０】ＭＩ素子を説明する図である。
【図１１】上記ＭＩ素子を適用した場合の本発明の実施の形態の金属片カウンタの磁性金属センサの配置関係を説明する図である。
【図１２】上記ＭＩ素子を適用した金属片カウンタの磁性金属センサの駆動検出回路の回路図である。
【符号の説明】
１ 被検出体、２ 磁性金属センサ、３ センサ固定台、１１ 金属片、１１ａ 検出面、１２ 指示部、２１ 感磁部、２２ コア、２２ａ，２２ｂ 垂直部、２２ｃ 接続部、２３，２４ コイル、２５ 磁石、３０，４０ 駆動検出回路、３４ 発振回路、３５ スイッチング回路、３６，３６ａ，３６ｂ 平滑回路、３７ 基準電圧回路、３８ 比較回路
Claims (2)
- 複数の磁性金属片が所定の間隔λで並列に配置された被検出部に対して、この複数の磁性金属片が並列に配置された方向に相対移動して、上記磁性金属片を検出する磁性金属センサにおいて、
感磁方向の磁界変化に応答する軟磁性材料からなる感磁素子を有し、互いの感磁素子の感磁方向に垂直な方向の間隔がｇとされ、当該感磁素子に生じる感磁方向の磁界変化に応じた電気信号を出力する一対の磁電変換手段と、
上記一対の磁電変換手段の各感磁素子に対して、感磁方向の磁界を与える磁界発生手段とを備え、
上記一対の磁電変換手段は、磁化極性が互いに同一となるように高周波信号で励磁駆動され、
上記一対の磁電変換手段は、インピーダンスの変化量に基づき磁性金属片の検出信号が生成され、
上記一対の磁電変換手段は、上記被検出部との相対移動方向に対して上記感磁方向が垂直となり、且つ、互いの感磁素子同士の上記相対移動方向に対する間隔ｇ´が
ｇ´＝（ｎ＋１／２）×λ ：ｎは０以上の整数、且つ、ｇ´＜ｇ
となるように、配設されること
を特徴とする磁性金属センサ。 - 複数の磁性金属片が所定の間隔λで並列に配置された被検出部と、
上記複数の磁性金属片が並列に配置された方向に、上記被検出部に対して相対移動するように設けられた磁性金属センサと、
上記磁性金属センサを駆動するとともに、上記磁性金属センサの検出信号に基づき上記被検出部の各磁性金属片を検出する駆動検出部とを備える磁性金属検出システムであって、
上記磁性金属センサは、
感磁方向の磁界変化に応答する軟磁性材料からなる感磁素子を有し、互いの感磁素子の感磁方向に垂直な方向の間隔がｇとされ、当該感磁素子に生じる感磁方向の磁界変化に応じた電気信号を出力する一対の磁電変換手段と、
上記一対の磁電変換手段の各感磁素子に対して感磁方向の磁界を与える磁界発生手段とを具備しており、
上記駆動検出部は、磁化極性が互いに同一となるように高周波信号によって上記一対の磁電変換手段を励磁駆動するとともに、上記一対の磁電変換手段のインピーダンスの変化量に基づき磁性金属片の検出信号を生成し、
上記一対の磁電変換手段は、上記被検出部との相対移動方向に対して上記感磁方向が垂直となり、且つ、互いの感磁素子同士の上記相対移動方向に対する間隔ｇ´が
ｇ´＝（ｎ＋１／２）×λ ：ｎは０以上の整数、且つ、ｇ´＜ｇ
となるように、配設されること
を特徴とする磁性金属検出システム。
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