JP7380249B2

JP7380249B2 - 近接センサ

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Publication number: JP7380249B2
Application number: JP2020010191A
Authority: JP
Inventors: 信賢一色
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2040-01-24
Also published as: JP2021118427A

Description

本発明は、近接センサに関する。

金属により形成された検知対象となる物体（以下、単に検知対象物と呼ぶ）の接近を検知するために、発振コイルを含む発振回路を用いる近接センサが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献1に記載された技術では、検知対象物が発振コイルの漏洩磁場から離れているときには発振回路が発振し、一方、発振コイルの漏洩磁場に接近することで、発振コイルのコンダクタンスが増大して発振回路の発振条件が成立しなくなり、発振回路が発振停止状態となる。これにより、検知対象物が検知される。

また、近接センサを高感度化するために、磁気インピーダンス素子を用いる技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。特許文献２に記載された技術では、励磁コイルの内側に磁気インピーダンス素子が配置され、この磁気インピーダンス素子により、金属体からの渦電流磁束が検出される。また、励磁磁束に対して９０度位相が遅れた渦電流磁束が発生するように、発振周波数が設定され、タイミング制御回路は、励磁用発振回路からの励磁電流がゼロとなる時点を中心とする所定期間にサンプリングパルスを生成する。そしてサンプリングパルスの出力期間における磁気インピーダンス素子からの出力が積分され、その積分結果が差動増幅回路において累積された後、コンパレータにおいて所定のしきい値と比較される。

特開平４－２５２１８号公報特開２００３－２７３７１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、近接センサを高感度化するためには近接センサの構造が複雑となり過ぎるために、検知対象物を検知可能な距離（以下、単に検知可能距離と呼ぶ）を十分に取れないことがある。さらに、金属自身の磁力は非常に微弱であるため、特許文献２に記載された技術では、磁気インピーダンス素子からの出力信号における信号対雑音比が良好でない。そのため、この技術でも、検知可能距離を十分に取れないことがある。

そこで、本発明は、金属により形成された検知対象物を検知可能な距離を大きくすることが可能な近接センサを提供することを目的とする。

本発明の一つの形態として、近接センサが提供される。この近接センサは、磁気インピーダンス素子により形成される発振コイルを有し、金属により形成された検知対象物が発振コイルに近付くにつれて高くなる周波数を持つ発振信号を出力する発振回路と、発振回路からの発振信号の周波数が所定の検知条件を満たすか否か判定することで、検知対象物を検知したか否かを判定する判定回路とを有する。
係る構成を有することにより、この近接センサは、発振信号に重畳されるノイズ成分の影響を受け難く、かつ、検知対象物と発振コイル間の相互作用による磁界の強さの変動に起因する発振信号の周波数に基づいて検知対象物を検知するので、金属により形成された検知対象物を検知可能な距離を大きくすることができる。また、発振コイル自体が磁気インピーダンス素子により形成されることにより、この近接センサは、小型化できるとともに、検知方向に関する指向性を抑制することができる。

本発明の一つの実施形態による近接センサの回路構成図である。発振回路及び検知対象物の等価回路図である。検知対象物と近接センサ間の距離の変化に応じた、発振回路から出力される発振信号の波形の変化及び周波数電圧変換回路から出力される信号の波形の変化の一例を示す図である。近接センサの外観斜視図である。近接センサの分解斜視図である。（ａ）は、近接センサを有する遊技機における、近接センサの配置の一例を示す、遊技球の流路の外観斜視図である。（ｂ）は、（ａ）において矢印Ａ、Ａ’ 側から見た線における、流路の断面図である。

以下、本発明の一つの実施形態による近接センサを、図を参照しつつ説明する。この近接センサは、磁気インピーダンス素子により形成される発振コイルを有する発振回路から出力される発振信号に基づいて、検知対象物の有無を判定する。ここで、この近接センサでは、発振コイルが磁気インピーダンス素子により形成されているため、発振回路の発振コイルと検知対象物間の相互作用による磁界の強さの変動に応じて発振信号の周波数が変化する。そこでこの近接センサは、発振信号の周波数が所定の検知条件を満たすか否か判定することで、検知対象物の有無を判定する。

図１は、本発明の一つの実施形態による近接センサの回路構成図である。また、図２は、発振回路１０及び検知対象物１００の等価回路図である。近接センサ１は、発振回路１０と、判定回路２０とを有する。

発振回路１０は、発振コイル１１と共振コンデンサ１２とで構成されるＬＣ回路を用いた帰還型発振回路であり、例えば、ハートレー発振回路またはコルピッツ発振回路とすることができる。そのために、発振回路１０は、発振コイル１１と、発振コイル１１と並列に接続される共振コンデンサ１２と、発振コイル１１及び共振コンデンサ１２に電流を供給する発振回路本体１３とを有する。

発振コイル１１は、アモルファスワイヤといった磁気インピーダンス素子により形成される。磁気インピーダンス素子は、発振コイル１１と検知対象物１００の相互作用による磁界の強度の変化に応じてインピーダンス及びインダクタンスが変化する素子である。

検知対象物１００が発振コイル１１による磁界と相互作用する場合における、発振コイル１１のインピーダンスZ及び発振回路１０の発振信号の周波数fは、次式で表される。

ここで、r1は、発振コイル１１自身の固有の抵抗値であり、Δr1は、検知対象物１００と発振コイル１１の相互作用による磁界の強さの変化に応じた、発振コイル１１を形成する磁気インピーダンス素子の抵抗値成分の変化量を表す。また、r2は、検知対象物１００の抵抗値を表す。さらに、L1は、発振コイル１１自身のインダクタンスを表し、ΔL1は、検知対象物１００と発振コイル１１の相互作用による磁界の強さの変化に応じた、発振コイル１１を形成する磁気インピーダンス素子のインダクタンス成分を表す。さらに、L2は、検知対象物１００のインダクタンスを表す。さらに、Cは、共振コンデンサ１２の静電容量である。さらにまた、Mは、発振コイル１１と検知対象物１００の相互インダクタンスを表す。そしてωは、発振回路１０の発振信号の角周波数であり、角周波数ω=2πfである。

（１）式から明らかなように、検知対象物１００が発振コイル１１に近付くにつれて、検知対象物１００における渦電流損による相互インダクタンスMの増加だけでなく、発振コイル１１を形成する磁気インピーダンス素子の抵抗値成分の変化量Δr1が増加することにより、発振コイル１１のインピーダンスZは増加する。そしてインピーダンスZの増加に応じて、発振回路１０から出力される発振信号の振幅は減衰する。そのため、検知対象物１００が発振コイル１１に近付くにつれて、発振回路１０から出力される発振信号の振幅は、発振コイル１１が磁気インピーダンス素子で形成されない場合における発振信号の振幅よりも低下する。さらに、検知対象物１００が発振コイル１１に近付くにつれて、検知対象物１００における渦電流損により、発振コイル１１の周囲の磁界が弱くなり、磁気インピーダンス素子のインダクタンス成分ΔL1が減少するので、（２）式から明らかなように、発振回路１０から出力される発振信号の周波数が高くなる。したがって、発振回路１０は、検知対象物１００が発振コイル１１に近付くほど高い周波数を持つ発振信号を、判定回路２０へ出力する。

なお、発振回路１０は、増幅率を高くして矩形波を出力するように構成されることが好ましい。これにより、検知対象物１００の接近に伴って発振信号が出力されなくなることが抑制される。

判定回路２０は、発振信号を、その発振信号の周波数が所定の検知条件を満たすか否か判定することで、検知対象物１００を検知したか否かを判定する。そのために、判定回路２０は、例えば、発振回路１０側から順に直列に接続される周波数電圧変換回路２１と、弁別回路２２と、出力回路２３とを有する。

周波数電圧変換回路２１は、発振回路１０から出力される発振信号を、その発振信号の周波数に応じた電圧を持つ信号に変換するための回路を有する。本実施形態では、周波数電圧変換回路２１は、入力される発振信号を、その発振信号の周波数が高くなるほど低い電圧を持つ信号に変換するための回路を有する。なお、周波数電圧変換回路２１は、入力される発振信号を、その発振信号の周波数が高くなるほど高い電圧を持つ信号に変換するための回路を有してもよい。そして周波数電圧変換回路２１は、変換後の信号を出力する。

弁別回路２２は、周波数電圧変換回路２１から出力された信号と所定の閾値電圧とを比較し、その比較結果に応じた電圧を持つ信号を出力する。そのために、弁別回路２２は、例えば、コンパレータを有し、コンパレータの二つの入力端子の一方に、周波数電圧変換回路２１から出力された信号が入力され、その二つの入力端子の他方に閾値電圧が入力されることで、コンパレータの出力端子から、周波数電圧変換回路２１から出力された信号の電圧と所定の閾値電圧との比較結果に応じた電圧を持つ信号が出力される。本実施形態では、弁別回路２２は、周波数電圧変換回路２１から出力された信号の電圧が所定の閾値電圧よりも低い場合、すなわち、発振回路１０から出力される発振信号の周波数が所定の検知条件を満たす場合（本実施形態では、発振信号の周波数が所定の閾値周波数よりも高い場合）、検知対象物１００が検知されたことを表す電圧を持つ信号を出力する。一方、周波数電圧変換回路２１から出力された信号の電圧が所定の閾値電圧以上である場合、弁別回路２２は、検知対象物１００が検知されていないことを表す電圧を持つ信号を出力する。また、周波数電圧変換回路２１が、入力される発振信号を、その発振信号の周波数が高くなるほど高い電圧を持つ信号に変換する場合、弁別回路２２は、周波数電圧変換回路２１から出力された信号の電圧が所定の閾値電圧よりも高い場合に、検知対象物１００が検知されたことを表す電圧を持つ信号を出力すればよい。
なお、弁別回路２２は、周波数電圧変換回路２１から出力された信号の電圧と所定の閾値電圧とを比較するための他の構成の回路を有していてもよい。

あるいは、周波数電圧変換回路２１と弁別回路２２とは、いわゆるマイクロコンピュータとして一体的に構成されてもよい。この場合、マイクロコンピュータは、例えば、発振回路１０からの発振信号に対して高速フーリエ変換といった時間周波数変換処理を実行することでその発振信号の周波数を検出する。そしてマイクロコンピュータは、検出した周波数が閾値周波数よりも大きくなる場合、検知対象物１００が検知されたことを表す電圧を持つ信号を出力し、一方、検出した周波数が閾値周波数以下となる場合、検知対象物１００が検知されていないことを表す電圧を持つ信号を出力すればよい。

出力回路２３は、弁別回路２２から出力された信号を他の回路、例えば、近接センサ１が実装される装置の主制御回路へ出力するためのインターフェース回路を有する。そして出力回路２３は、弁別回路２２から出力された信号、すなわち、近接センサ１による、検知対象物１００の検知結果を表す検知信号を出力する。

図３は、検知対象物１００と近接センサ１間の距離の変化に応じた、発振回路１０から出力される発振信号の波形の変化及び周波数電圧変換回路２１から出力される信号の波形の変化の一例を示す図である。図３において、横軸は時間を表し、縦軸は電圧を表す。そして波形３０１は、発振回路１０からの発振信号の波形を表し、波形３０２は、周波数電圧変換回路２１から出力される信号の波形を表す。さらに、波形３０３は、出力回路２３から出力される検知信号の波形を表す。なお、検知信号の電圧がV1である場合、検知対象物１００が検知されたことを表し、一方、検知信号の電圧がV0である場合、検知対象物１００が検知されていないことを表す。

図３において、期間P1では、検知対象物１００が発振コイル１１に対して徐々に接近し、期間P2では、検知可能なほど検知対象物１００が発振コイル１１に接近した位置に存在し、期間P3では、検知対象物１００が発振コイル１１から徐々に遠ざかるものとする。波形３０１に示されるように、発振回路１０からの発振信号の周波数は、検知対象物１００が発振コイル１１に近付くにつれて徐々に高くなる。そのため、波形３０２に示されるように、周波数電圧変換回路２１から出力される信号の電圧も低下する。そして時刻t1から時刻t2までの期間P2のように、検知対象物１００が発振コイル１１にある程度以上近付くと、周波数電圧変換回路２１から出力される信号の電圧は閾値電圧Vsh未満となり、その結果、波形３０３に示されるように、検知信号の電圧は、検知対象物１００が検知されたことを表す電圧となる。その後、検知対象物１００が発振コイル１１から離れるにつれて発振回路１０からの発振信号の周波数は徐々に低下する。そして発振信号の周波数が低下するにつれて、周波数電圧変換回路２１から出力される信号の電圧は上昇する。そして期間P3のように、検知対象物１００が発振コイル１１からある程度以上離れると、周波数電圧変換回路２１から出力される信号の電圧は閾値電圧Vsh以上となり、その結果、波形３０３に示されるように、検知信号の電圧は、検知対象物１００が検知されないことを表す電圧となる。

図４は、近接センサ１の外観斜視図であり、図５は、近接センサ１の分解斜視図である。そして図５は、近接センサ１が有する回路基板の側面図である。図４及び図５に示されるように、近接センサ１は、ケース１０１と、カバー１０２と、図１に示される各回路が設けられる回路基板１０３とを有する。

回路基板１０３の一端側には、発振コイル１１を形成するアモルファスワイヤを巻き付けるために、回路基板１０３の表面１０３ａの法線方向に沿って突起する円柱状のスプール１０３ｂが設けられる。なお、スプール１０３ｂは、フェライト材で形成されてもよい。また、回路基板１０３の一方の面上に、発振回路１０の本体及び判定回路２０が設けられる。ケース１０１とカバー１０２とは、それらが組み立てられた状態で回路基板１０３をその内部に収容する近接センサ１の筐体を構成する。

上記のように、発振コイル１１自身が磁気インピーダンス素子により形成されるので、近接センサ１の検知方向の指向性が抑制される。そのため、近接センサ１は、発振コイル１１の巻き軸の何れ側から、すなわち、回路基板１０３の表面側あるいは裏面側の何れから接近する検知対象物も検知することができる。したがって、近接センサ１は、例えば、回路基板１０３の表面側だけでなく、裏面側の何れにも検知対象物が接近する可能性があるような装置において好適に利用される。

例えば、近接センサ１は、遊技機に実装され、遊技機内に設けられる流路を通過する遊技球を検知するために用いられてもよい。

図６（ａ）は、近接センサを有する遊技機における、近接センサの配置の一例を示す、遊技球の流路の外観斜視図である。この例において、遊技球は、検知対象物の一例である。図６（ｂ）は、図６（ａ）において矢印Ａ、Ａ’側から見た線における、流路の断面図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示される例では、遊技機に二つの流路６０１、６０２が、それらの一部において互いに隣接するように設けられている。そして、上記の実施形態による近接センサ１が、流路６０１と流路６０２とが隣接する部分において、流路６０１と流路６０２の間に配置されている。

近接センサ１は、流路６０１または流路６０２の何れかを流下する遊技球６１１を検知できるように、近接センサ１の検知範囲６２１が流路６０１及び流路６０２と重なるように設置される。すなわち、発振コイル１１が流路６０１と流路６０２の間に位置するとともに、発振コイル１１の巻き軸方向が、流路６０１及び流路６０２のそれぞれと交差するように近接センサ１は配置される。したがって、近接センサ１は、流路６０１または流路６０２の何れかを流下する遊技球６１１が検知範囲６２１内に進入すると、遊技球６１１を検知することができる。

以上に説明してきたように、この近接センサは、発振回路が有する発振コイルを磁気インピーダンスで形成することで、発振回路から出力される発振信号の周波数が、検知対象物が発振コイルに近付くにつれて高くなるようにする。そしてこの近接センサは、発振信号の周波数が所定の検知条件を満たすか否か判定することで、検知対象物を検知したか否かを判定する。このように、この近接センサは、発振信号に重畳されるノイズ成分の影響を受け難く、かつ、検知対象物と発振コイル間の相互作用による磁界の強さの変動に起因する発振信号の周波数に基づいて検知対象物を検知するので、検知可能距離を大きくしても、検知対象物を精度良く検知できる。さらに、発振コイル自体が磁気インピーダンス素子により形成されることにより、この近接センサは、小型化できるとともに、検知方向に関する指向性を抑制することができる。

当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

１近接センサ
１０発振回路
１１発振コイル
１２共振コンデンサ
１３発振回路本体
２０判定回路
２１周波数電圧変換回路
２２弁別回路
２３出力回路
１００検知対象物
１０１ケース
１０２カバー
１０３回路基板
６０１、６０２流路

Claims

磁気インピーダンス素子である巻き線により形成される発振コイルを有し、金属により形成された検知対象物が前記発振コイルに近付くにつれて高くなる周波数を持つ発振信号を出力する発振回路と、
前記発振回路から出力される前記発振信号の周波数が所定の検知条件を満たすか否か判定することで、前記検知対象物を検知したか否かを判定する判定回路と、
を有する近接センサ。