近接センサー   (磁気センサー)

磁気誘導型近接センサーの原理
センサーに組み込まれたコイルから高周波の磁界を発生させ、コイル周囲の磁気抵抗変化によって
自己のコイルのインダクタンス(L)変化を検出して周囲の導体(金属)の変位量、有無を検出するものです。
 この内ONとOFFのみを出力する物が近接スイッチと呼ばれ信頼性の高い無接点リミットスイッチと用いられており、
安価なタイプでは磁石とリードスイッチによる有接点、磁気検出素子による無接点のものが有りますが、磁石または強磁性体(鉄)しか検出できません。
また、変位量を電圧、電流などのアナログ量として出力する物を距離センサー又は変位センサーと呼ばれ測定に利用されます。(一般に高価)

※今までのセンサーはLC共振回路を用いているためLの変化率の平方根に比例した共振周波数しか得られませんが
本特許技術の発振回路はLに比例した発振周波数変化が得られるため簡易な回路でありながら高精度・高分解能が得られます。
そのためアンプ無しで小型高性能・低コスト・省電力を実現出来ました。

これが普通の磁気近接センサーが対応が難しかった非鉄金属(非磁性体)でも容易に検出ができるです。(金属の種別まで判定できる)
また、共振回路で無いため、応答速度が桁違いに早くなります。(高速マルチスキャンを可能とした)

磁気誘導型では鉄(強磁性体)は透磁率変化によって、アルミ等(非磁性体、反磁性体)も高周波の渦電流損失により検出可能で
電気の良導体であれば検出が可能になります。(金属探知機の原理と同じです)

さらに電流による磁気変化を検出すれば電流センサーにもなります。

一般的な磁気(磁石)センサーとの違い
ホールセンサー、MR(磁気抵抗)センサー、リードスイッチなど、磁石に反応してセンシングまたはスイッチングするセンサーです。
これらのセンサーは全てセンシングの対象として磁石を用いるため、センサーと磁石が必要で一般的にはセンサー信号を増幅する回路も必要となります。
また、磁石と回路を内蔵したICも有り、磁性体を直接センシングできるものも有ります。
一般的に安価で小型のため、ブラシレスモーター、開閉スイッチなど数多く利用されており、誘導型は比較的高価で信頼性重視目的にて利用されています。
しかし、この新方式の近接センサーは、従来の短所を解消し、誘導型でありながら低コスト、低消費電力(ホールセンサー以下)、超小型(ホールセンサーIC同等)、非磁性体(アルミ、銅など)検出、広い作動電圧など、多くの特徴を持ちます。




 鉄、アルミ、銅など導体がセンサーに近づく距離を判別します。工場内の自動機ではおなじみのセンサーですが
この回路(独自発振回路)を利用することでさらに小型低コストを実現します。

 さらにCPU直結二線式(オープンコレクタと同じような結線方法)でパルス周波数による距離比例信号が得られます。
(三線式電圧出力も可能)
 近接センサーでは高価な部類の距離センサーがON/OFF式の近接スイッチと同じ価格に押さえることが出来ます。
 
趣味のロボットセンサーとして、マイコンにI/Oに直結距離、回転角など用途は様々、勿論ON/OFFの非接触センサーとしても使えます。

 しかも従来の共振型磁気(固定周波数共振回路)センサーでは難しかった高速切り換えセンシングが可能で1KHz以上の切り換え
(センサーの作動-停止して相互間の磁気干渉を防ぐ多点センシング方法)
 これはLC等の共振を利用していないために信号が電圧供給と共に安定して発振するため可能になりました。
※静電容量方式の発信器としても利用できます

センサー回路の大きさは2線式パルス出力で 5mm角 厚み3mm程度まで小型化可能
オープンコレクタ接続で信号検出できます。(1kΩ程度のプルアップ要)
(頑張れば3mmまではIC化しなくても可能かもしれません)



電源は充電池4本(4.8V)プラスから1KΩでプルアップしてテスターの周数レンジで測定
現表示周波数は非検出の状態
マイコンに接続する場合は、カウンターI/Oに接続すれば計数可能。



アルミ(一円玉)を近接させたときの検出周波数
常磁性体では磁路の渦電流損失により回路中コイルのインダクタンスが小さくなり
応答周波数が高くなる。


銅(十円玉)を近接させたときの検出周波数
反磁性体では磁路の渦電流損失により回路中コイルのインダクタンスが小さくなり
応答周波数が高くなる。



鉄(ボルト頭)を近接させたときの検出周波数
強磁性体では磁路透磁率が上がり回路中コイルのインダクタンスが大きくなり
応答周波数が低くなる。

※表示周波数の変化量が小さく感じられますが、基本周波数は変わりませんので変化量は
表示周波数-基本周波数が検出変化量となります。
(テスターでは基本周波数が大きいと表示変量が小さく見えます)

これらは検出物体の材質が同じであれば周波数の変化は近接距離にほぼ比例するので
センサー(コイル)から検出物体の距離を検出(測定)することができます。
 このコイルの形状を変えると検出距離を長くしたり、精密にしたりと応用が可能で
油、水等が測定部に罹っても検出に支障はなく、細かい切り子等がかかる場合周波数特性からより確実な検出も可能です。

2個のセンサーより作動信号を得てマイコン演算処理して、
リニアエンコーダ- スケールにはねじ山、ラック等利用できます。
ロータリエンコーダー スケールには歯車、偏心軸が利用できます。
モーターの回転方向がスイッチ状態等より判っていれば、一相(センサー1個)からでも検出可能。
車のエンジン回転数、車速(ホイール回転数) アンチスキッド用センサーなどにも利用可能です。


複数のセンサーをスキャンして3次元形状判定などもアプリケーション可能です。
専用測定器では、穴径、軸径大きさ判定など
いずれも測定物に油が着いていても測定出来ますから、ダーティー環境には打ってつけです。


 センサーの出力は2線式で グラントと5Vから1kΩでプルアップした出力線をマイコンのカウンターで計数して判定します。
プルアップにコンデンサーを追加すれば電圧出力としてもA/D変換して利用できます。
消費電流は3mA程度なのでマイコンのI/O出力でもセンシングできます。

上の図は複数のセンサーをマイコンの1個のカウンターにて計数し、I/o制御でセンサーターゲットを切り換えて検出します。 試作マイコンユニット
I/OをLo(GND)に選択したセンサーのみが発振して他のセンサーは休止するので、磁気干渉無しで密接配置が可能でセンサーの消費電流も最小となります。
1.5V駆動時消費電流は500μA程度、CMOSでさらに低くすることも可能です。
マイコンからの検出信号はシリアル/パラレルでシーケンサーなどに電送可能で、シリアル伝送すればシーケンサーのI/Oが節約でき
さらにマイコンをシリーズ(芋づる方式)で接続すればシーケンサーのI/Oを消費することなく無限数のセンシングが可能で、配線も桁違いに省配線となります。
シーケンサーのI/Oで従来方式で制御したい場合は、マイコンのシリアル通信をI/Oのパラレルに再変換してシーケンサー入力にすることも可能です。

また、センサー自体の駆動電圧は1.2V〜48Vと動作電圧範囲が非常に広く、環境温度も100度を超えても大丈夫です。
勿論センサーの封止材によって真空中、薬液中、エンジン内でのクランク又はピストン直接検出の様な過酷な高温高圧下での利用も可能になります。


 駆動電圧を変えると発振周波数が変化するので、変化割合から材質の推定も可能です。
また回路内定数にコンデンサーを使用していないので温度変化にも安定しています。
(温度変化についてはコイルのコアに依存しますが温度補正も簡単になります)
自販機のコイン判定、異物検出 勿論金属探知機もできます。


世界最小 近接センサー  (老眼に鞭打って手作りの限界)

5mm×6mm×3.2mm  片面実装
パルス出力2線式(イヤホンコード) 5V



これ以上は 両面実装になり半田ごてを駆使しての製作は難しい。
量産の場合はボンディングにて3mm×3mm×2mmは製作できます。
丸型であれば、現存市販されているメーカーの世界最小と謳われている超小型φ3以下(φ3球でも)も可能
円柱型ならφ2*10L程度は大丈夫そうです。(10mm角有れば演算マイコンも内臓可能)


超小型ながら大きい検出距離
代表検出距離  (基板をアルミスケール上面密着状態でチップからの距離目視、繰り返し再現性のある値 参考値)
基本周波数   333kHz (分可能が不要なスイッチ信号であれば、最高応答周波数になり、一般市販品に比較して2桁違いの高速応答となります)
   ※周波数はコイル性能によるため検出距離が小さくなれば、数MHzまで高速化が可能
材質            最大検出距離
軟鉄            2.5mm
SUS304(非磁性)    3mm
SUS410(磁性)     6mm
銅板1t          3mm
アルミブロック      6mm
アルミ箔         5mm
尚検出コイルの大きさに比例して検出距離は大きくなり、アンテナ形状にすればm単位の検出も可能
          
※一般的な近接センサーは磁性体の検出距離が大きいですが、本回路では高周波でインダクタンスの直接変化分を見ているせいか
非磁性体の方の感度が高くなっています。また、金属面に隣接していても、他金属の近接が検出できます。
                 参考精度はこちら


もっと小さく・・・・ 2008/9/3

基板が上がってきたので、仕上げました
4.5mm×5mm×2.5mm  両面実装 業界最小
パルス出力2線式(イヤホンコード) ケーブル径1.3mm
薄さは0.3mmにも対応可能で、プリント基板内に低コストにて実装可能



おまけ  近接センサーによるセンシングの効能
1 油、水に反応しない 塗装下の金属でも判別出来ます。    工作機の切削油がかかる場所など悪環境に対応
2 フォトセンサーのような劣化がなく、性能が安定。        LED、レーザーは寿命時間があります。
3 ゴミ、汚れに強い(放射能にも)                   検出量の変化具合から、切り子、金属粉の付着をキャンセルさせることも可能。
4 使用温度範囲が広い。                        スイッチング素子の特性のよるが通常-60度〜150度程度は動作可能。
5 消費電力が少ない。                          μAレベルの消費電流で動作させることも可能。
6 検出範囲の自由度が大きい                     金属探知機、車両検出など大きさの特定検出も可能。
7 高精度測定                               コイル形状により、cmからμm単位での測長も可能
8 検出体の磁気性状による材質判定                鉄、アルミ、銅の判定、簿板の厚み検出など。 

現在市販されている近接センサーとの比較
1 低コスト
2 CPU直結2線デジタル信号 (2線で電圧検出も可能)
3 低消費電力
4 密接配置が可能
5 超高速応答 (光センサーにも匹敵するほど)
6 超小型
7 精密距離測定 (ヒステリシス、バックラッシの補正が可能で精密位置制御が可能)
8 高速高密度多点測定が可能
等々   応用はこちら    応用例としての試作アブソリュートロータリーエンコーダーとし、さらに回転制御する試作サーボモーター


※外乱キャンセル機能は別個マイコン等による演算が必要。(ON/OFFタイプの近接スイッチは不可)

※2008/11/25 シャープ、携帯電話用近接センサー2機種発売
"独自の成形技術でパッケージを4ミリ×2ミリ×1・2ミリメートルの業界最小にした"とのニュース記事で、
もう追い越されたかと思いきや、反射型フォトインタラプタでした。月産60万個だそうです。
量産時に半導体ダイを用いてIC化すれば1mm角で厚さ0.3mm程度は十分可能で、ICカード内に実装することも可能。

さらに高性能遠距離検出を可能とした 磁気飽和近接センサー   また 超遠距離検出可能な 磁気共鳴センサー も開発できました。

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サンプル配付  2009/3/3追加

センサー部 6.5*5*3mm ケーブルφ1.3mm*150mm (ケーブル形状は都合により変わります)

上図 近接センサーのサンプルご希望が有れば無料配付致します。
但し、ユーザー様の量産利用に対する適合試用とさせていただきますので、下記の条件によります。
※一般的なシーケンサーI/Oでは直接インターフェース出来ません。
また試用に当たりハードウェアとソフトウェアの基本的な技術が必要となります。
説明書等付属しませんので、本HP内容をご参照いただきます。
無料サンプル数量は1個に限ります。
(販売に関わる業者様に対してのお問い合わせ及びサンプルはご容赦願います)

下記項目を全てメール添付して下記アドレスより送信してください。
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御社名:
担当部署:
担当者:
連絡メールアドレス: 
送付先
郵便番号:
住所:
宛名:
電話番号: 

 適用機器または装置 (一般名称):
 適用(測定、位置検出など利用形態):
 予想月間使用センサー数量:
 希望納品価格:
 インターフェースをとる方法またはコントロールCPU(メーカー型式等):
 その他 ご要望有りましたらお書き添え願います。
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こちらより、近接センサーサンプル希望 メールにてお申し込み下さい。
尚、送付時期等は当方の都合に依らせていただきます。
また、後日感想等簡単なモニターを御願いいたします。



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