JP5168226B2 - 磁気式近接センサ - Google Patents

Description

本発明は磁石からなる磁界発生部と磁気センサからなる検出部とが相対的に移動する際に、磁気センサが検出する磁束密度の変化に基づいて磁界発生部と検出部との接近を検知する磁気式近接センサに関するものである。

磁気式近接センサは、工場でベルトコンベア上のワークが所定の位置に到達するのを検知する場合、あるいは、エレベータの階床への到達を検知する場合などに応用されるものが知られている。その位置検出精度は検出対象とセンサの距離によっても異なるが、一般的に数ｍｍから数ｃｍである。

従来の磁気式近接センサは、特許文献１の図１に示されるように、磁石を設けた移動体とホール素子を設けた固定体からなり、検出対象である移動体の磁石が検出部であるホール素子の直上を通過する際に、ホール素子が感知する磁束密度の極性が反転する。ホール素子が感知する磁束密度に応じた検出信号と基準信号を比較して、両者が等しくなる位置を検出することで検出対象と検出部との接近を検知する。

特開２００３−３２９４０５号公報（第３頁、図１）

しかしながら、上記のように検出対象と検出部が互いに対向して配置されるタイプの磁気式近接センサでは、検出対象と検出部とのギャップが広くなると、検出部が受ける磁界強度が低下するためノイズによる出力変動を受けやすくなり、接近検知時における位置検出誤差を生じるので、検出位置精度が低下してしまうという問題点があった。
特許文献１の磁気式近接検出装置は、磁石の磁化方向の法線方向における磁束密度を検出し、磁界の極性が反転する位置における磁束密度に対応する検出電圧を基準信号と比較し、基準位置の検出を行うものである。しかし、磁石の性質上、磁化方向への磁界は強く発生するが、磁化方向と法線方向への磁界は弱いことから、検出対象と検出部のギャップが広くなると磁界強度が低くなってしまう。その結果、ホール素子の出力電圧が低くなり、ノイズが重畳すれば検出電圧に変動が生じるため、位置検出に誤差が生じてしまう課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、検出対象がある検出範囲内に入ったことを検知する磁気式近接センサの検出位置精度を向上することを目的とする。また、本発明は特に検出対象と検出部の距離が遠い場合であっても、また、検出対象と検出部のギャップが変動する場合であっても高い精度を確保することを目的とする。

この発明に係る磁気式近接センサは、磁石からなる磁界発生部と磁気センサからなる検出部とが相対的に移動する際に、磁気センサが検出する磁束密度の変化に基づいて磁界発生部と検出部との接近を検知する判定部を備えた磁気式近接センサにおいて、磁界発生部は磁界発生部と検出部とが相対的に移動する方向に並設され、それぞれの磁化方向が略平行で互いに反対方向を向くように配置された一対の磁石からなり、一対の磁石のそれぞれを通り、磁気センサが検出する磁界の方向が反転する一対の磁界反転面を形成する磁界を発生し、磁気センサは磁界発生部と検出部とが相対的に移動する際に上記磁界反転面の少なくとも一方を横切るものであり、判定部は磁気センサの検出信号と上記磁界反転面を検出するための基準信号とを比較し、検出信号の出力レベルが基準信号のレベルより大きいときに磁気センサが磁界反転面の間にあることを示す所定レベルの近接検出信号を出力するコンパレータを備えたことを特徴とするものである。

この発明は、磁界発生部と検出部との接近を検知する判定部を備えた磁気式近接センサにおいて、磁界発生部は磁界発生部と検出部とが相対的に移動する方向に並設され、それぞれの磁化方向が略平行で互いに反対方向を向くように配置された一対の磁石からなり、一対の磁石のそれぞれを通り、磁気センサが検出する磁界の方向が反転する一対の磁界反転面を形成する磁界を発生し、磁気センサは磁界発生部と検出部とが相対的に移動する際に上記磁界反転面の少なくとも一方を横切るものであり、判定部は磁気センサの検出信号と上記磁界反転面を検出するための基準信号とを比較し、検出信号の出力レベルが基準信号のレベルより大きいときに磁気センサが磁界反転面の間にあることを示す所定レベルの近接検出信号を出力するコンパレータを備えるようにしたことにより、磁界発生部と検出部のギャップが広い領域でも強い磁界を得ることができるため、信号強度を高くすることができ、ノイズに対する信号の安定性を高めることができる。これにより、磁界発生部と検出部のギャップが広くなった場合でも、接近検知時の位置検出誤差を低減することができる。また、磁界の方向が反転する箇所が検知位置に対応するので、磁界発生部と検出部の間のギャップが変化しても、従来よりも検出信号レベルが高く、かつ、検出信号のゼロ点を検出する方式とすることができるため、接近検知時の位置検出誤差を極めて小さくすることができる。

本発明の実施の形態１による磁気式近接センサの構成図である。 本発明の実施の形態１による磁気式近接センサ動作時の磁力線の模式図である。 本発明の実施の形態１による磁気式近接センサ動作時の磁力線の模式図である。 本発明の実施の形態１による磁気式近接センサ動作時の磁力線の模式図である。 本発明の実施の形態１による磁気式近接センサ動作時の磁気センサを貫く磁束密度およびコンパレータ出力を示す図である。 本発明の実施の形態１による磁気式近接センサ動作時の磁気センサを貫く磁束密度を示す図である。 本発明の実施の形態１による磁気式近接センサ動作時の磁力線の模式図である。 本発明の実施の形態１による磁気式近接センサ動作時の磁力線の模式図である。 本発明の実施の形態２による磁気式近接センサの構成図である。 本発明の実施の形態２による磁気式近接センサ動作時の磁気センサを貫く磁束密度、コンパレータ出力、増幅器出力を示す図である。 本発明の実施の形態３による磁気式近接センサの構成図である。 本発明の実施の形態３による磁気式近接センサ動作時の磁気センサを貫く磁束密度、コンパレータ出力、増幅器出力、論理積演算回路出力を示す図である。 本発明の実施の形態３による磁気式近接センサ動作時の磁気センサを貫く磁束密度、コンパレータ出力、増幅器出力、論理積演算回路出力を示す図である。 本発明の実施の形態４による磁気式近接センサの構成図である。 本発明の実施の形態４による磁気式近接センサ動作時の磁気センサを貫く磁束密度、コンパレータ出力、増幅器出力を示す図である。 本発明の実施の形態５による磁気式近接センサの構成図である。 本発明の実施の形態６による磁気式近接センサの構成図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による磁気式近接センサを示す構成図である。本発明による磁気式近接センサは検出部１、磁界発生部２および判定部３からなる。検出部１はホール素子などの磁気センサ１０１、磁気センサ１０１を挟みその両側に配置される２つの棒状または板状の形状をした、鉄などの軟磁性体１０２ａおよび１０２ｂからなる。図１においては軟磁性体１０２ａおよび１０２ｂとして棒状のものの例を示す。磁気センサ１０１の感磁方向は図１中の矢印１０４に示す方向である。軟磁性体１０２ａおよび１０２ｂはその長手方向が磁気センサ１０１の感磁方向１０４に沿うように配置される。これは板状の軟磁性体である場合も同様であり、板状の軟磁性体の厚み方向が図１の感磁方向１０４と直交するように配置される。磁界発生部２は２つの磁石２０１ａおよび２０１ｂからなる。検出部１と磁界発生部２は相対的に移動し、この相対的な移動の方向を図１において矢印１０５の方向で示す。

なお、本実施の形態を含め、以下の各実施の形態においては説明の便宜のために、主として検出部１が移動する場合について述べるが、本発明においては検出部１と磁界発生部２とが相対的に移動をすればよく、検出部１または磁界発生部２が移動するものであっても、両者がともに移動するものであってもよい。

磁界発生部２における磁石２０１ａおよび２０１ｂの磁化方向は、図１の白抜き矢印２０２ａおよび２０２ｂに示す方向であり、磁気センサ１０１の感磁方向（矢印１０４が示す両方向）と、検出部１と磁界発生部２とが相対的に移動する方向（矢印１０５の方向）の両方に垂直であり、しかも２つの磁石２０１ａと２０１ｂの磁化方向は互いに反対方向である。また、この２つの磁石２０１ａと２０１ｂそれぞれの中心を通り磁化方向と平行で紙面に垂直な平面をそれぞれ２０３ａ、２０３ｂとする。図１は磁気センサ１０１の感磁方向１０４が平面２０３ａ、２０３ｂに垂直な場合について示す。
判定部３は磁気センサ１０１の出力と基準電圧とを入力信号とするコンパレータ３０１から構成される。

次に動作について説明する。
まず、図１において検出部１が矢印１０５で示す方向へスライドする場合の動作について説明する。図２は図１に示した構成要素のうち、磁気センサ１０１、軟磁性体１０２ａ、１０２ｂ、磁石２０１ａ、２０１ｂの構成要素のみを図示し、これら以外は省略している。図２は磁気センサ１０１の位置が平面２０３ａよりも左側にある場合を示す。図２はこの時に生じる磁力線の状態を併せて示しており、磁気センサ１０１には紙面上で左向きの磁界が加わる。

次に検出部１が図２の状態から右へ移動し、磁気センサ１０１が平面２０３ａおよび２０３ｂの間に位置する場合の磁力線の状態を図３に示す。図３に示すように、磁気センサ１０１には右向きの磁界が加えられる。図３の状態からさらに検出部１が右へ移動し、磁気センサ１０１が平面２０３ｂより右側へ移動した場合を図４に示す。この時の磁力線の状態より、磁気センサ１０１には図面上で左向きの磁界が加わる。これら一連の動作、すなわち、検出部１が図１の矢印１０５の方向に移動するとき、磁気センサ１０１を貫く磁束密度、すなわち矢印１０５の方向の磁束密度成分は図５（ａ）のようになる。ここで、図５（ａ）の横軸は磁気センサ１０１の位置、縦軸は磁気センサ１０１を貫く磁束密度（磁束密度のうち平面２０３ａまたは２０３ｂの法線方向の成分）であり、その符号は図１〜図４の右向きを正としている。

図５（ａ）からわかるように、磁気センサ１０１が平面２０３ａおよび２０３ｂを通過する前後で磁気センサ１０１を貫く磁束の向きが反転する。すなわち、磁気センサ１０１が平面２０３ａと平面２０３ｂの間にある時とそれ以外の位置にある時とで、磁気センサを貫く磁束の向きが互いに反対になる。このように、磁界発生部２が発生する磁界は平面２０３ａおよび２０３ｂの位置で磁界の向きが反転するため、これら平面２０３ａおよび２０３ｂを以下、磁界反転面とよぶことにする。

磁気センサ１０１としてはホール素子など、磁界の大きさと方向を電気信号に変換するものが用いられる。例えばホール素子では、ホール素子を貫く磁束密度に比例した電圧出力が得られる。
判定部３におけるコンパレータ３０１は磁気センサ１０１の出力と接続され、この磁気センサ１０１の出力と、磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂの位置、すなわち、磁束密度がゼロとなる位置の基準信号となる基準電圧Ｖ０との比較を行う。つまり、基準電圧Ｖ０の値は磁界ゼロの時の磁気センサ出力と同値となる。図５（ｂ）に示すように、コンパレータ３０１の出力は磁界ゼロのときを境にしてＨｉ（ハイ）とＬｏ（ロー）が切り替わる。コンパレータ出力がＨｉであることから、検出部１と磁界発生部２との接近を検出することができる。本発明では、磁気センサ１０１が２つの磁界反転面２０３ａと２０３ｂの間または磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂの位置にあるときをもって、検出部１と磁界発生部２の接近として検知する。こうして、検出対象と検出部との接近を検知することができる。

また、磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂ上では、上述のごとく磁束密度がゼロになるため、磁気センサ１０１の出力と基準電圧Ｖ０とを比較し、両者が等しくなった時に、磁気センサ１０１が基準となる磁界反転面２０３ａあるいは２０３ｂの位置にあることを検出し、検出対象の接近として検知することもできる。
また、磁気センサ１０１が検出する磁束密度の向きを上記のように図１〜図４における右向きを正とし、図５（ｂ）で示す、コンパレータ３０１の出力の立上がり、立下がりを判定することにより、検出部１と磁界発生部２とが相対的に移動する方向を判別することができる。

このように構成することで、磁界発生部２の磁石２０１ａの磁化方向２０２ａ、磁石２０１ｂの磁化方向２０２ｂがいずれも検出部１と磁界発生部２が相対的に移動する方向に垂直であるため、検出部１と磁界発生部２のギャップが広くなっても検出部１が受ける磁界強度は強く保たれ、磁気センサ１０１の出力電圧が高くなる。そのため、磁界方向が反転する付近では磁気センサの出力変化が大きく、磁気センサの出力である電圧波形は急峻な立上がりあるいは立下がりを示す。これにより、従来よりも検出信号レベルが高く、かつ、検出信号のゼロ点を検出する方式とすることでできるので、接近検知時における位置検出の精度を高めることができ、誤差を極めて少なくすることができる。

図６に検出部１と磁界発生部２との検出部のギャップが小さい場合（近距離の場合）と大きい場合（遠距離の場合）の磁気センサ１０１を貫く磁束密度を示す。図６より、磁界発生部と検出部の間のギャップが変化しても磁界ゼロの位置は変わらない。このように、コンパレータ３０１の出力のＨｉとＬｏの切替る位置が、磁界方向が反転する位置に対応しているので、検出部１と磁界発生部２の間のギャップが変化すると、磁界方向が反転する位置（図６における磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂの位置）の近くで検出される磁束密度の絶対値に変化はあるものの、磁界ゼロの位置は変わらない。その結果、従来よりも検出信号レベルが高く、かつ、検出信号のゼロ点を検出する方式とすることができるので、検出部１と磁界発生部２の間のギャップが変化しても検出位置誤差を極めて小さくできる。

上記のように構成することにより、磁気センサや磁石の磁気特性にばらつきが生じる場合、あるいは周囲温度が変化する場合でも、磁束密度の絶対値は変動するが、磁界ゼロの位置はほとんど変わらない。従って、磁気センサ１０１の磁界ゼロの出力変動（オフセット変動）のみを補正すればよく、検出位置変動を極めて小さく抑えることができる。例えば、ホール素子感度の温度に対する変化率は、ホール素子の種類により０．０１％／℃程度から１０％／℃程度のものあるが、本実施の形態では磁束密度がゼロの点を測定するのでホール素子の感度に対する温度変動は考慮する必要がなくなるため、温度ドリフトをほぼゼロにすることができる。
さらに、本実施の形態の構成では磁気センサ１０１は軟磁性体１０２ａと１０２ｂに挟まれているため、磁気センサに磁束が集中するので磁気センサ１０１の磁気感度が増大し、信号対雑音比を高くすることができ、その結果、従来よりも検出信号レベルが高く、かつ、検出信号のゼロ点を検出する方式とすることができるので、検出誤差を小さくすることができる。

なお、図１〜４においては、軟磁性体１０２ａおよび１０２ｂと磁気センサ１０１の感磁方向が平行である場合を示したがこれに限るものではない。例えば、感磁方向１０４に対し、軟磁性体１０２ａまたは１０２ｂの長手方向とが傾斜している場合であっても、平行である場合より磁束を磁気センサ１０１に集中する効果は低くなるが、磁気感度を増大する効果がある。ただし、感磁方向１０４と軟磁性体１０２ａまたは１０２ｂの長手方向とのなす交角のうち小さい方は５度以内が望ましく、より望ましくは３度以内、さらに望ましくは１度以内であればより磁気感度を増大することができ、高精度な近接位置の検出が可能である。これは本実施の形態のみならず、本発明の他の実施の形態についても同様である。

また、磁界反転面２０３ａおよび２０３ｂの位置は、磁石２０１ａおよび２０１ｂの磁化の強さがそれぞれ、図１における検出部１と磁界発生部２の相対的な移動方向１０５に沿って均質であれば、それぞれの磁石の略中心となる。磁化の強さが上記の移動方向１０５に沿って均質でない場合、例えば、図１における磁石の中心位置より右側で強く、左側で弱い場合には磁石２０１ａの中心位置より右側にずれる場合がある。この場合においても、磁界反転面２０３ａの位置は磁石２０１ａ上のいずれかにあり、磁界反転面２０３ａは平面となる。従って、磁束密度がゼロの位置を検出することにより、磁界反転面２０３ａを基準の位置（の一方）として、検出部１と磁界発生部２との接近を検知することができる。

本実施の形態においては、検出部１と磁界発生部２が相対的にスライドする場合、すなわち、両者が所定の間隔をおいて対向し、平行移動する場合を例に説明したが、本発明においては相対的な移動の形態はこの例に限るものではない。例えば、検出部１が回転運動をすることにより、磁界反転面２０３aと２０３ｂの一方を横切る場合でも上述した手順により、検出部１と磁界発生部２の接近を検知することができる。

また、図１〜図４においては、相対的な移動方向（矢印１０５の方向）が磁界反転面２０３ａおよび２０３ｂと垂直である場合について示したが、これに限るものではなく、検出部１が例えば図７に示すように、磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂを斜めに（矢印１０６の方向に）横切る場合であってもよく、この場合にも磁気センサ１０１の検出する磁束密度は、磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂ上でゼロとなるため、この場合でも上述の方法により、コンパレータ３０１の出力から検出部１と磁界発生部２の接近を検出することができる。

さらに、検出部１または磁界発生部２が回転運動する場合においても、磁気センサ１０１が磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂのいずれかを横切る時にその回転運動の接線方向が磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂと垂直である場合でなくてもよい。この場合でも図７のように検出部１が斜めに横切る場合と同様に、磁気センサ１０１が検出する磁束密度のうち、磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂの法線方向成分をコンパレータ３０１の入力として用いることにより、検出部１と磁界発生部２との接近の検知が可能である。
要は、検出部１と磁界発生部２が相対的に移動する際に、磁気センサ１０１が磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂのいずれか、または両方を横切り、その際に磁気センサ１０１が検出する磁束密度の磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂの法線方向成分を取得して、コンパレータ３０１の入力とすれば、検出部１と磁界発生部２の接近の検知が可能である。

また、図１〜４において、磁界発生部２における磁石２０１ａと２０１ｂの磁化方向２０２ａ、２０２ｂが平行である場合を用いて説明したが、これに限るものではない。例えば、磁化方向２０２ａに対し、磁化方向２０２ｂの方向が傾斜している場合でも本実施の形態を用いることは可能である。ただし、傾斜角（２０２ａと２０２ｂの延長線がなす交角のうち小さい方）は３度以内が望ましく、より望ましくは１度以内、さらに望ましくは０．５度以内であればより高精度な近接位置の検出が可能である。これは本実施の形態のみならず、本発明の以下の実施の形態においても同様である。

また、図１〜４においては、磁界発生部２における磁石２０１ａと２０１ｂが紙面上で同じ高さ（すなわち、例えば図１において磁石２０１ａと２０１ｂと磁気センサ１０１との間隔が同じ）である場合について説明したが、磁界発生部２の構成はこれに限るものではない。例えば、図８に示すように、磁石２０１ａと磁気センサ１０１との間隔と、磁石２０１ｂと磁気センサ１０１との間隔とが異なる場合（図８では磁石２０１ａの方が磁気センサ１０１に近い場合を示す）であっても、磁界発生部２は一対の磁界反転面２０３ａおよび２０３ｂを有する磁界を発生するので、この一対の磁界反転面を基準位置とした近接検知が可能である。要は、２つの磁石の磁化方向が平行または略平行であって、それらの磁化方向が反対向きであり、磁界を発生すればよい。

実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２による磁気式近接センサを示す構成図であり、上記実施の形態１との相違点は次のとおりである。まず、検出部１は２種類の磁気センサで構成され、一方は実施の形態１における磁気センサ１０１と同様に、磁界の大きさと方向を電気信号に変換する第１の磁気センサ１１１であり、例えばホール素子などが用いられる。磁気センサの他方は、検出する磁界の方向が反転する時にパルス上の信号を出力する第２の磁気センサ１１２であり、例えば大バルクハウゼン効果応用素子が用いられる。また、実施の形態１との相違点として、判定部３は第１の磁気センサ１１１の出力と、磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂの位置を検出するための基準信号Ｖ０とを入力とするコンパレータ３０２および第２の磁気センサ１１２の出力を増幅する増幅器３０３からなる。

次に動作について説明する。
第１の磁気センサ１１１および第２の磁気センサ１１２は、感磁方向が図９中の矢印１０４の方向になるように配置される。これにより、第１の磁気センサ１１１および第２の磁気センサ１１２にかかる磁束密度のうち、磁界反転面２０３ａおよび２０３ｂの法線方向の磁束密度成分は、磁石２０１ａ、２０１ｂ、軟磁性体１０２ａ、１０２ｂといった磁性材料の位置関係が実施の形態１と同じであるので、図５で示したものと同じになる。第１の磁気センサ１１１および第２の磁気センサ１１２の位置に対して、これらの素子を貫く磁束密度の横方向成分（すなわち磁界反転面２０３ａおよび２０３ｂの法線方向の磁束密度成分）、コンパレータ３０２の出力および増幅器３０３の出力をそれぞれ図１０（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す。

第２の磁気センサ１１２として例えば大バルクハウゼン効果応用素子を用いる場合、これは大バルクハウゼン効果を有するワイヤとその周囲に巻回されるコイル巻線からなり、磁界の方向が反転するときのみ、パルス状の出力を発生するものであり、パルスの極性は磁界が変化する方向により正負反対になる。従って、第２の磁気センサ１１２の出力は磁界の方向が反転するとき、すなわち、第２の磁気センサ１１２が図９の磁界反転面２０３ａおよび２０３ｂを通過するときにパルスを発生し、そのパルスの極性は磁界反転面２０３ａと２０３ｂを通過するときでは互いに逆になる。このような第２の磁気センサ１１２を用いることにより、検出部１と磁界発生部２のギャップが変動しても、磁界反転面の位置は変わらないので、従来よりも検出信号レベルが高く、かつ、検出信号のゼロ点を検出する方式とすることができるので、接近検知時における位置検出の精度を高めることができ、誤差を極めて少なくすることができる。

ここで、第１の磁気センサ１１１からの出力と基準電圧Ｖ０とを比較するコンパレータ３０２の出力は、検出対象がある範囲内に入ったことを示す「ゾーン検知」の役割を果たすことになる。また、第２の磁気センサ１１２の出力、すなわち増幅器３０３の出力は、検出対象が、ある決められた位置を通過したことを高精度に計測する「位置検知」の役割を果たすことになる。したがって本実施の形態における構成により、「ゾーン検出」と「位置検出」の両方の出力を有することから、接近検知時における位置検出精度は問わないがゾーンを検出する場合はコンパレータ３０２の出力を採用し、位置を高精度に検知する場合は増幅器３０３の出力を採用するといった使い方が可能となる。

なお、増幅器３０３の出力、すなわち、第２の磁気センサ１１２の出力は、磁界変化の方向により極性が変わる。これから、増幅器３０３の出力の極性を判別することにより、検出部１と磁界発生部２が相対的に移動する方向を判別することもできる。

実施の形態３．
図１１は本発明の実施の形態３による磁気式近接センサを示す構成図であり、上記実施の形態１との相違点は次のとおりである。検出部１における磁気センサは２種類から構成され、一方は実施の形態１における磁気センサ１０１と同様に、磁界の大きさと方向を電気信号に変換する第１の磁気センサ１１１であり、例えばホール素子などを用いる。磁気センサの他方は、検出する磁界の方向が反転する時にパルス上の信号を出力する第２の磁気センサ１１２であり、例えば大バルクハウゼン効果応用素子を用いる。また、図１１において第１の磁気センサ１１１の右側に軟磁性体１０２ｃが配置され、第１の磁気センサ１１１と第２の磁気センサ１１２の間に軟磁性体１０２ｂが配置され、さらに第２の磁気センサ１１２の左側に軟磁性体１０２ａが配置される構成となっている。

また、第１の磁気センサ１１１の出力と基準電圧Ｖ１を入力とするコンパレータ３０２ａと、第１の磁気センサ１１１の出力と基準電圧Ｖ０とを入力とするコンパレータ３０２ｂ、および、第２の磁気センサ１１２の信号を入力とする増幅器３０３を有し、さらに増幅器３０３とコンパレータ３０２ａを入力とする論理積演算回路３０４ａ、および、増幅器３０３とコンパレータ３０２ｂを入力とする論理積演算回路３０４ｂを有する。

次に動作について説明する。第１の磁気センサ１１１および第２の磁気センサ１１２はいずれも、感磁方向が図中の矢印１０４の方向になるように配置されている。検出部１が矢印１０５の方向に移動したとき、第１の磁気センサ１１１または第２の磁気センサ１１２が検出する磁束密度のうち、磁界反転面２０３ａの法線方向の成分は、実施の形態１で示した図５とほとんど同じになる。その理由は、本実施の形態では軟磁性体の部品数が３であり、第１の磁気センサと第２の磁気センサの間にも軟磁性体１０２ｂが配置されていることが実施の形態１と異なる点であるが、軟磁性体と軟磁性体の間隔は第１の磁気センサ（例えばホール素子など）の厚み程度しかなく非常に小さいため、実質的には実施の形態１と本実施の形態の磁気回路に大きな差異はなく、ほとんど同等とみなせるからである。

図１２（ａ）に、横軸を第１の磁気センサ１１１の位置とした場合の、第１の磁気センサ１１１および第２の磁気センサ１１２を貫く磁束密度の横方向成分（すなわち、磁界反転面２０３ａの法線方向成分）を示し、同図（ｂ）にコンパレータ３０２ａの出力を、同図（ｃ）に第２の磁気センサの出力を増幅器３０３で増幅した出力を、さらに同図（ｄ）に論理積演算回路３０４ａの出力を示す。ここで、第１の磁気センサ１１１と第２の磁気センサ１１２との間隔Ｐは、磁石２０１ａの磁化方向に垂直な磁束密度成分が極大になる位置と、磁石２０１ａの中心位置との間の距離に概ね等しくなるようにする（すなわち、同図（ｃ）に示すＰと同程度にする）。このように構成することにより、第１の磁気センサ１１１と第２の磁気センサ１１２の間隔がＰだけ離れているので、同図（ａ）に示すように、第１の磁気センサにかかる磁束密度と第２の磁気センサにかかる磁束密度は間隔Ｐだけずれることになる。

ここで、コンパレータの基準電圧Ｖ１を図１２（ａ）に示すように負の適当な値に定めると、コンパレータ３０２ａの出力は同図（ｂ）に示すように、磁界反転面２０３ａより距離Ｐだけ左側の位置付近でＨｉを示すようになる。一方、第２の磁気センサ１１２の出力は第１の磁気センサ１１１が磁界反転面２０３ａを通過するときは距離Ｐだけ左側にあるので、同図（ｃ）に示すように、増幅器３０３の出力（すなわち、第２の磁気センサ１１２の出力）は、磁界反転面２０３ａより距離Ｐだけ左側のところでパルスを出力する。

論理積演算回路３０４ａにてコンパレータ３０２ａの出力と増幅器３０３の出力との論理積を演算することにより、第１の磁気センサ１１１が磁界反転面２０３ａから左側に距離Ｐだけ離れた位置を通過したときの出力信号のみを抽出することができる。こうして、第１の磁気センサ１１１の出力から論理積演算回路３０４ａの出力としてゲート信号を得ることができる。ゲート信号を基に磁気センサ１１１が磁界反転面２０３ａから左側に所定の距離（オフセット）Ｐだけ離れた位置にあることを検出できるため、近接検出の信頼性を向上することができる。また、オフセットＰは基準電圧Ｖ１の値を調整することにより、様々な値に設定が可能である。

一方、もうひとつの磁界反転面である２０３ｂの位置の検出は以下に示す方法で行うことができる。コンパレータ３０２ｂの基準電圧Ｖ０は実施の形態１で述べたように、磁束密度ゼロに相当する値であるため、コンパレータ３０２ｂの出力は図１３（ｂ）に示すように、磁界反転面２０３ａと２０３ｂの間で出力がＨｉになる。この区間は、磁界反転面２０３ｂからの距離Ｐだけ左側に離れた位置を含む。第２の磁気センサ１１２の出力は第１の磁気センサ１１１が磁界反転面２０３ｂを通過するときは距離Ｐだけ左側にあるので、同図（ｃ）に示すように、増幅器３０３の出力（すなわち、第２の磁気センサ１１２の出力）は、磁界反転面２０３ｂより距離Ｐだけ左側のところでパルスを出力する。

そして論理積演算回路３０４ｂにてコンパレータ３０２ｂの出力と増幅器３０３の出力の論理積をとることにより、第１の磁気センサ１１１が磁界反転面２０３ｂから左側に距離Ｐだけ離れた位置を通過したときのみの出力信号を抽出することができる。このようにして、磁界反転面面２０３ｂについても第１の磁気センサ１１１の出力をゲート信号として利用することができる。ゲート信号を基に磁気センサ１１１が磁界反転面２０３ｂから右側に所定の距離（オフセット）Ｐだけ離れた位置にあることを検出できるため、近接検出の信頼性を向上することができる。

本実施の形態では、図１３に示すように磁界反転面２０３ａと２０３ｂの距離よりもオフセットＰの設定値が小さい場合を示したが、さらにオフセットの値を大きく設定する必要がある場合には、例えば、磁界発生部２における磁石２０１ａと２０１ｂの間隔を大きく取ることでオフセットＰの値を大きくすることができる。また、コンパレータ３０２ｂが比較する基準電圧を磁界ゼロと同値となるＶ０の値より低い値に設定することにより、コンパレータ３０２ｂがＨｉを出力する区間を広げることができ、オフセットＰの設定値を大きく取ることができる。
なお、増幅器３０３の出力（すなわち第２の磁気センサ１１２の出力）は、磁界変化の方向により極性が変わる。すなわち、増幅器３０３の出力の極性を判別することにより移動方向を判別することもできる。
なお、本発明の実施の形態１において、磁気センサ１０１が２つの磁界反転面２０３ａと２０３ｂの間または磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂの位置にあるときをもって、検出部１と磁界発生部２の接近として検知するとしたが、本実施の形態においては検出部１と磁界発生部２の接近を上記２つの磁界反転面２０３ａと２０３ｂを基準とする以外に、磁界反転面２０３ａまたは２０３ｂから所定の距離Ｐだけ離れた位置を基準とすることも可能である。いずれの位置を基準として検出部１と磁界発生部２の接近として検知するかは用途に応じて適宜選択すればよい。

実施の形態４．
図１４は本発明の実施の形態４による磁気式近接センサを示す構成図であり、実施の形態１との相違点は次のとおりである。検出部１は、磁界の大きさと方向を電気信号に変換する２つの磁気センサ１０１ａと１０１ｂで構成される。磁気センサ１０１ａ、１０１ｂとしては例えばホール素子などが使用される。
また、図１４において磁気センサ１０１ａの左側に軟磁性体１０２ａが配置され、磁気センサ１０１ａと１０１ｂの間に軟磁性体１０２ｂが配置され、磁気センサ１０１の右側に軟磁性体１０２ｃが配置される。判定部３は磁気センサ１０１ａの出力と基準電圧Ｖ０を入力とするコンパレータ３０１ａと、磁気センサ１０１ｂの出力と基準電圧Ｖ０を入力とするコンパレータ３０１ｂ、およびコンパレータ３０１ａと３０１ｂの出力を比較演算する比較演算回路３０５で構成される。

次に動作について説明する。磁気センサ１０１ａおよび１０１ｂは感磁方向が図中の１０４の方向になるように配置されている。検出部１が矢印１０５の方向に移動したとき、磁気センサ１０１ａまたは１０１ｂに加わる磁束密度のうち、磁界反転面２０３ａの法線方向の磁束密度成分は、実施の形態１で示した図５とほとんど同じになる。その理由は、本実施の形態では軟磁性体の部品数が３であることが実施の形態１と異なる点であるが、軟磁性体と軟磁性体の間隔は磁気センサ１０１ａ（例えばホール素子など）の厚み程度しかなく非常に小さいため、実質的には実施の形態１と本実施の形態の磁気回路に大きな差異はなく、ほとんど同等とみなせるからである。

図１５（ａ）に、横軸を磁気センサ１０１ａの位置とした場合の、磁気センサ１０１ａおよび１０１ｂを貫く磁束密度の横方向成分（すなわち、磁界反転面２０３ａの法線方向の成分）を示す。ここで、磁気センサ１０１ａと１０１ｂは所定の距離Ｑだけ離れている。そのため、図１５（ａ）に示すように磁気センサ１０１ａと１０１ｂが検出する磁束密度は間隔Ｑだけ位相がずれることになる。

ここで、コンパレータの基準電圧Ｖ０を磁気センサが示す磁界ゼロのときの値に設定すると、コンパレータ３０１ａおよび３０１ｂの出力は図１５（ｂ）および（ｃ）に示すように、互いに間隔Ｑだけずれることになる。検出部１が矢印１０５またはその正反対の方向に移動するとき、コンパレータ３０１ａの出力と３０１ｂの出力は、必ずいずれかがＨｉ（またはＬｏ）になった後にもう一方がＨｉ（またはＬｏ）になる。すなわち、コンパレータ３０１ａと３０１ｂの出力を比較し、Ｈｉ（またはＬｏ）になった順序を判別することにより移動方向を判別することができる。

また、上記所定の間隔Ｑを２つの磁界反転面２０３ａと２０３ｂの間隔より小さく設定した場合、検出部１が磁界発生部２の近くを通過する時、故障箇所がなければ、コンパレータ３０１ａと３０１ｂのいずれか一方の出力がＨｉになってからＬｏになるまでの間に、他方のコンパレータの出力は必ずＨｉになる。仮に、一方のコンパレータ出力がＨｉになってからＬｏになるまでの間に、もう一方のコンパレータ出力が全くＨｉにならないときは、何らかの故障があると判断できる。このようにして、２つのコンパレータ出力の変化を検知することにより、検出部に故障があるか否かの自己診断を行うことができる。

実施の形態５．
図１６は本発明の実施の形態５による磁気式近接センサを示す構成図であり、同図では検出部１と判定部３を示す。実施の形態１との本実施の形態の相違点は以下の通りである。軟磁性体１０２ａと１０２ｂの形状は板状であり、一方の軟磁性体の板の端部と他方の軟磁性体の板の端部の間に磁気センサ１０１が配置されている。なお、磁気センサ１０１の感磁方向は図の矢印１０４に示す方向である。

図１６に示すように、磁束の大部分は折れ線矢印１０７で示すように、２つの軟磁性体の間の最も狭いギャップを通過するので、磁気センサ１０１を貫く磁束の方向は矢印１０４の方向となる。このように構成することにより、磁気センサ１０１に磁束が集中するので、磁気センサ１０１の磁気感度が増大し、信号対雑音比を高くすることができ、その結果、検出誤差を小さくすることができる。また、磁気感度を確保するには概ね軟磁性体の磁束方向に垂直な方向の断面積を大きくすればよいが、棒状の軟磁性体と同じ断面積（すばわち磁気感度）を得るための板状の軟磁性体は、棒状軟磁性体に比べて薄く形成することができるので、検出部を薄く小型にすることができる。

実施の形態６．
図１７は本発明の実施の形態６による磁気式近接センサを示す構成図であり、同図では磁界発生部２のみを示す。実施の形態１との本実施の形態の相違点は以下の通りである。磁界発生部２は２つの磁石２０１ａおよび２０２ｂと、この２つの磁石に接続される鉄などの軟磁性体２０４からなる。

このような配置にすることにより、磁石２０１ａおよび２０１ｂから発生する磁界のうち、図の下方へ発生するものはその大部分が軟磁性体２０４の中を通り、軟磁性体２０４の外側（図の下方）には磁界がほとんど漏れなくなる。また、軟磁性体２０４の外側（図１５の下方）に鉄、磁石、電流線などの磁場を乱すものがあったとしても、軟磁性体２０４に遮蔽される。このように、外乱磁界がある場合でもその影響を低減することができ、検出性能を確保することができる。
なお、磁石２０１ａおよび２０１ｂから発生する磁界のうち、検出部１が通過する側（図の上方）には、実施の形態１と同様に磁界がかかるため、上記実施の形態１〜５と同様に高精度に検出対象の近接検出を行うことができる。

１ 検出部、１０１、１０１ａ、１０１ｂ 磁気センサ、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ 軟磁性体、１０４ 磁気センサの感磁方向、１０５、１０６ 検出部の移動方向、１０７ 磁束の方向、１１１ 第１の磁気センサ、１１２ 第２の磁気センサ、２ 磁界発生部、２０１ａ、２０１ｂ 磁石、２０２ａ、２０２ｂ 磁石の磁化方向、２０３ａ、２０３ｂ 磁界反転面、２０４ 軟磁性体、３ 判定部、３０１、３０１ａ、３０１ｂ、３０２ コンパレータ、３０３ 増幅器、３０４ａ、３０４ｂ 論理積演算回路、３０５ 比較演算回路

Claims (11)

1. 磁石からなる磁界発生部と磁気センサからなる検出部とが相対的に移動する際に、上記磁気センサが検出する磁束密度の変化に基づいて上記磁界発生部と上記検出部との接近を検知する判定部を備えた磁気式近接センサにおいて、上記磁界発生部は上記磁界発生部と上記検出部とが相対的に移動する方向に並設され、それぞれの磁化方向が略平行で互いに反対方向を向くように配置された一対の磁石からなり、上記一対の磁石のそれぞれを通り、上記磁気センサが検出する磁界の方向が反転する一対の磁界反転面を形成する磁界を発生し、上記磁気センサは上記磁界発生部と上記検出部とが相対的に移動する際に上記磁界反転面の少なくとも一方を横切るものであり、上記判定部は上記磁気センサの検出信号と上記磁界反転面を検出するための基準信号とを比較し、上記検出信号の出力レベルが上記基準信号のレベルより大きいときに上記磁気センサが上記磁界反転面の間にあることを示す所定レベルの近接検出信号を出力するコンパレータを備えたことを特徴とする磁気式近接センサ。
2. 上記判定部は、上記磁気センサの検出信号と上記基準信号とを比較し、両者の出力レベルが等しくなったときに上記近接検出信号の出力レベルを変更することにより、上記磁気センサが上記磁界反転面上にあることを示すコンパレータを備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁気式近接センサ。
3. 上記検出部は、第一および第二の磁気センサからなり、上記第一および第二の磁気センサの、上記磁界反転面の法線方向に沿って測った距離が正の値となるように配置され、上記判定部は、上記第一の磁気センサの検出信号と上記基準信号とを比較し、両者の出力レベルが等しくなったときに第一の近接検出信号の出力レベルを変更する第一のコンパレータと、上記第二の磁気センサの検出信号と上記基準信号とを比較し、両者の出力レベルが等しくなったときに第二の近接検出信号の出力レベルを変更する第二のコンパレータとを備え、上記第一および第二の近接検出信号の出力レベルが変更される順序に基づいて、上記磁界発生部と上記検出部とが相対的に移動する方向を判定することを特徴とする請求項２に記載の磁気式近接センサ。
4. 上記検出部は、第一および第二の磁気センサからなり、上記第一および第二の磁気センサの間の、上記磁界反転面の法線方向に沿って測った距離が、上記磁界反転面間の距離よりも小さくなるように配置され、上記判定部は、上記第一の磁気センサの検出信号と上記基準信号とを比較し、両者の出力レベルが等しくなったときに第一の近接検出信号の出力レベルを変更する第一のコンパレータと、上記第二の磁気センサの検出信号と上記基準信号とを比較し、両者の出力レベルが等しくなったときに第二の近接検出信号の出力レベルを変更する第二のコンパレータとを備え、上記第一の近接検出信号の出力レベルが変更されてから再度出力レベルが変更されるまでの間に、上記第二の近接信号の出力レベルが変更されないときに、上記検出部または上記判定部に故障があると判定することを特徴とする請求項２に記載の磁気式近接センサ。
5. 上記検出部は、磁束密度の値に応じた検出信号を出力する第一の磁気センサと、磁束密度の値に基づいて磁界の方向が反転するときにパルス状の磁界方向反転信号を出力する第二の磁気センサからなり、上記判定部は、上記第一の磁気センサの検出信号と上記基準信号とを比較し、上記検出信号のレベルが上記基準信号のレベルより大きいときに、上記第一の磁気センサが上記磁界反転面の間にあることを示す所定レベルの近接検出信号を出力するコンパレータを備え、上記磁界方向反転信号に基づいて、上記第２の磁気センサが上記一対の磁界反転面のいずれか一方の面上にあることを示す基準面位置検出信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気式近接センサ。
6. 上記第一および第二の磁気センサの間の、上記一対の磁界反転面の法線方向に沿って測った距離が、上記一対の磁界反転面の一方の面の位置と、上記第一および第二の磁気センサの感磁方向に沿った磁束成分が極大になる位置との距離に略等しくなるように配置され、上記判定部は、上記近接検出信号と上記磁界方向反転信号との論理積演算の結果に基づいて、上記第一の磁気センサが、上記一対の磁界反転面の一方の面より所定距離だけ離れた位置にあることを示す所定レベルの近接検出信号を出力することを特徴とする請求項５に記載の磁気式近接センサ。
7. 上記第二の磁気センサが検出する磁束密度が負の値から正の値に変化するときに正の出力レベルの磁界方向反転信号を出力し、磁束密度が正の値から負の値に変化するときに負の出力レベルの磁界反転信号を出力するものであって、上記判定部は、上記磁界反転信号の出力極性に基づいて、上記磁界発生部と上記検出部とが相対的に移動する方向を判定することを特徴とする請求項５または６に記載の磁気式近接センサ。
8. 上記検出部が、磁気センサの両外側であって上記磁気センサの感磁方向に略平行に配置された棒状ないし板状の軟磁性体を備えたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の磁気式近接センサ。
9. 上記検出部が、上記磁界発生部と上記検出部とが相対的に移動する方向に略平行に並設された第一および第二の磁気センサからなり、上記第一および第二の磁気センサの間および両外側であって上記磁気センサの感磁方向と略平行に配置された棒状ないし板状の軟磁性体を備えたことを特徴とする請求項３ないし７のいずれか一項に記載の磁気式近接センサ。
10. 上記検出部が、磁気センサを挟んで配置され上記磁気センサの感磁方向と略垂直で互いに反対方向に配置された２枚の板状の軟磁性体を備えたことを特徴とする請求項１、２、４または５に記載の磁気式近接センサ。
11. 上記磁界発生部の一対の磁石に軟磁性体が接続されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の磁気式近接センサ。

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