JP3666464B2 - 近接センサ - Google Patents

Description

【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。
【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。
【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。
【０００４】
上記構成において、各検出コイル３１，３２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。
【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。
【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。
【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。
【０００８】
また上記の構成では、検出コイル３１，３２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３１，３２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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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ＭＩ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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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１３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。
【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。
【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。
【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。
【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ＭＩ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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００５６】
よって検出対象の金属体Ｆによって、各ＭＩ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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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

Claims (4)

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。
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。
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。
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。

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