JP2015096840A - 磁性物体検知器 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度で、磁性物体の動的状態を検知する範囲が広く、磁性物体の通過経路を貫通孔により制限される必要がない磁性物体検知器を提供する。
【解決手段】磁性物体１の動的状態による磁界の変化により磁性物体１を検知する磁性物体検知器は、磁性物体１が通過する領域に磁界を発生させる磁界発生手段１０と、磁界発生手段１０から発生した磁界の磁性物体１の通過による変化を検知する磁界検知器２０と、磁界検知器２０の出力を処理するための信号処理回路３０とを具備する。磁界発生手段１０は、それぞれ一対の磁極を有する、第１の磁界発生源１１および第２の磁界発生源１２を有し、第１の磁界発生源１１の一方の磁極１１ａと第２の磁界発生源１２の一方の磁極１２ａとが同一の平面内に存在する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性物体の動的状態を検知する磁性物体検知器に関し、特に、広範囲の磁性物体の通過を検知する磁性物体検知器に関する。

磁性物体の動的状態である通過を検知する磁性物体検知器が、特許文献１および特許文献２に開示されている。

特許文献１に開示された磁性物体検知器は、磁性物体である鋼球が通過する貫通孔が形成されたケースと、その貫通孔を形成する円筒型コイルと、この円筒形コイルを発振コイルとする発振回路とを有しており、鋼球が貫通孔を通過するときに生じる発振状態の変化から鋼球の通過を検知するものである。

特許文献２に開示された磁性物体検知器は、磁性物体である鋼球が通過する貫通孔が形成されたケースと、この貫通孔を挟んで対向して配される磁界発生手段およびその磁界を検出する磁界検出手段、例えばホール素子とを有しており、鋼球が貫通孔を通過するときには、磁界が鋼球によって遮蔽され、ホール素子で受ける磁界が検出閾値以下となることで、鋼球の通過を検出するものである。

特開平８−８７９３６号公報 特開平８−１１２４０２号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示された磁性物体検知器は、磁性物体である鋼球を通過させるための貫通孔が構造上必須の要素であり、鋼球の検知領域は貫通孔に制限される。加えて、磁性物体検知器を設置する場所が、貫通孔を有するケースを設置するスペースを有する場所に限定されるという問題がある。

一方、貫通孔を設けない場合には、磁性物体である鋼球の通過経路と磁界検知器の距離が定まらず、特に、鋼球が磁界検知手段から離れた位置を通過すると、鋼球の通過による磁界変化、つまり磁性物体検知器の出力が低下し、磁性物体である鋼球の検出が困難になるという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、高感度で、磁性物体の動的状態を検知する範囲が広く、磁性物体の通過経路を貫通孔により制限される必要がない磁性物体検知器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（４）を提供する。
（１）磁性物体の動的状態による磁界の変化により磁性物体を検知する磁性物体検知器であって、
磁性物体が通過する領域に磁界を発生させる磁界発生手段と、
前記磁界発生手段から発生した磁界の前記磁性物体の通過による変化を検知する磁界検知器と、
前記磁界検知器の出力を処理するための信号処理回路と
を具備し、
前記磁界発生手段は、それぞれ一対の磁極を有する、第１の磁界発生源および第２の磁界発生源を有し、前記第１の磁界発生源の一方の磁極と前記第２の磁界発生源の一方の磁極とが同一の平面内に存在することを特徴とする磁性物体検知器。
（２）前記平面内において、前記第１の磁界発生源の前記一方の磁極を通る第１の直線と、前記第２の磁界発生源の前記一方の磁極を通り前記第１の直線と直交する第２の直線とが直交する位置に前記磁界検知器が配置され、
前記磁界検知器の感軸方向が、前記第１の直線の方向または前記平面の法線方向と一致しており、
前記磁性物体が、前記第１の直線と平行な直線上を通過することを特徴とする（１）に記載の磁性物体検知器。
（３）前記第１の磁界発生源および前記第２の磁界発生源は、前記一方の磁極とそれと対向する他方の磁極とを通る直線が、前記平面の法線方向と一致するように配置され、
前記平面内において、前記第１の磁界発生源の前記一方の磁極を通る第１の直線と、前記第２の磁界発生源の前記一方の磁極を通り前記第１の直線と直交する第２の直線とが直交する位置から、前記第１の磁界発生源の前記一方の磁極と前記他方の磁極の距離の５０％以内の距離を、前記一方の磁極から前記他方の磁極の向きに移動した位置に前記磁界検知器が配置され、
前記磁界検知器の感軸方向が、前記第１の直線の方向または前記平面の法線方向と一致しており、
前記磁性物体が、前記第１の直線と平行な直線上を通過することを特徴とする（１）に記載の磁性物体検知器。
（４）前記信号処理回路は、少なくとも一つの前記磁界検知器を含んでブリッジ回路を構成するように設けられた検知回路部と、検知信号のうちの所定周波数帯域外の成分を除去するバンドパス回路部と、信号を増幅する信号増幅回路部とを有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の磁性物体検知器。

本発明によれば、磁界発生手段として、それぞれ一対の磁極を有する、第１の磁界発生源および第２の磁界発生源を有するものを用い、第１の磁界発生源の一方の磁極と第２の磁界発生源の一方の磁極とが同一の平面内に存在するようにしたので、第１の磁界発生源と第２の磁界発生源と磁界検知器との配置を調整することにより、一つの磁界発生源を有する場合よりも、バイアス磁界の強度を小さく、かつ磁性物体の通過による磁界強度の変化量を大きくすることができ、高感度で、磁性物体の検知範囲が広く、磁性物体の通過経路を貫通孔により制限する必要がない磁性物体検知器を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る磁性物体検知器の概念図である。 第１の磁界発生源、第２の磁界発生源、および磁界検知器の配置の第１の例を示す斜視図である。 第１の磁界発生源、第２の磁界発生源、および磁界検知器の配置の第１の例を示す平面図である。 第１の磁界発生源、第２の磁界発生源、および磁界検知器の配置の第２の例を示す斜視図である。 第１の磁界発生源、第２の磁界発生源、および磁界検知器の配置の第２の例を示す側面図である。 磁界発生源である磁石が１個の場合と、磁石が２個の場合とを比較する実験のための磁石と磁界検知器との配置を示す平面図である。 図６の各平面配置におけるオフセットなしとオフセット２ｍｍの場合のＹ方向のバイアス磁界を示す図である。 図６の各平面配置におけるオフセット２ｍｍの場合のＹ方向の磁界強度の変化量を示す図である。 第１および第２の磁界発生源、および磁界検知器を第２の例の位置に配置し、鋼球を通過させた場合の、磁性物体検知器の出力波形を示す図である。 第１および第２の磁界発生源の位相角と、各方向のバイアス磁界との関係を示す図である。 第１および第２の磁界発生源の位相角と、各方向の磁性物体の通過にともなう磁界強度の変化量との関係を示す図である。 磁性物体検知器の出力信号に対する磁性物体の速度依存性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本実施形態では、磁性物体として鋼球を用いた場合の例を示す。図１は本発明の一実施形態に係る磁性物体検知器の概念図である。

図１において、磁性物体検知器は、通過する磁性物体である鋼球による磁界の変化により鋼球を検知するものであり、鋼球１が通過する領域に磁界を発生させる磁界発生ユニット（磁界発生手段）１０と、磁界発生ユニット１０から発生した磁界の鋼球１の通過による変化を検知する磁界検知器２０と、磁界検知器２０の出力を処理するための信号処理回路３０とを具備する。

磁界発生ユニット１０は、一対の磁極１１ａおよび１１ｂを有する第１の磁界発生源１１、および一対の磁極１２ａおよび１２ｂを有する第２の磁界発生源１２を有し、第１の磁界発生源１１の一方の磁極１１ａと第２の磁界発生源１２の一方の磁極１２ａとが同一の平面（ＸＹ平面）内に存在する。なお、磁極１１ａおよび１１ｂの一方がＮ極、他方がＳ極であるが、どちらがＮ極であっても構わない。磁極１２ａ，１２ｂも同様である。

検知対象である磁性物体の鋼球１は、例えば遊技機用の場合、一般には軟鉄で構成されている。軟鉄は、外部磁界を受けるときのみ、磁気的に分極し、磁石としての性質を示す。

磁界発生ユニット１０を構成する第１の磁界発生源１１および第２の磁界発生源１２は、例えば、永久磁石または電磁石で構成される。永久磁石としては、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジウム磁石などが挙げられる。

磁界検知器２０としては、例えば、電磁誘導を利用する検出コイル、半導体のホール効果を利用するホール素子、強磁性体の導電率が電流と磁化のなす角により変化する磁気抵抗効果を利用するＭＲ素子などが挙げられる。磁界検知器２０は、１個に限らず複数個であってもよい。

信号処理回路３０は、磁界検知器２０を含んでブリッジ回路、例えばホイーストンブリッジ回路を構成するように設けられた検知回路３１と、バンドパスフィルタ回路３２と、信号増幅回路３３と、信号判定回路３４とを有する。

検知回路３１は、ホイーストンブリッジ回路のようなブリッジ回路を構成することにより、磁界検知器２０の温度特性に依存する温度ドリフトの影響を低減する。また、バンドパスフィルタ回路３２を設けることで、ブリッジ回路では低減しきれないドリフト成分、電気抵抗等の素子特性のばらつきに起因する影響、高周波帯域のノイズ成分等を除去する。バンドパスフィルタ回路３２の周波数帯域は、温度ドリフトの影響を除去し、前述した軟鉄からなる鋼球における磁化の周波数特性の上限以上の不要なノイズ成分を除去するために、０．５Ｈｚから１ｋＨｚとすることが好ましい。バンドパスフィルタ回路３２を経た信号は、信号増幅回路３３で増幅され、信号判定回路３４で鋼球１の有無が判定される。

このように構成された磁性物体検知器によれば、第１の磁界発生源１１と第２の磁界発生源１２と磁界検知器２０との配置を調整することにより、高感度で、磁性物体である鋼球１の検知範囲が広く、鋼球１の通過経路を貫通孔により制限をなくすことができる。

上述したように、磁性物体である鋼球１を構成する軟鉄は、外部磁界を受けるときのみ、磁石としての性質を示し、鋼球１の通過にともなう磁界変化自体は極めて微弱であり、一つの磁界発生源のみで磁界を形成した場合には、鋼球１から数ｍｍ離れた地点において、磁界強度の変化量が約０．１〜１ガウス程度に過ぎない。このため、鋼球１を検知するためには、貫通孔により検知範囲を制限する必要があった。しかし、第１の磁界発生源１１と第２の磁界発生源１２と磁界検知器２０との配置を調整することにより、バイアス磁界を低減し、磁界変化を大きくすることができるので、磁界検知器２０による検出信号を大きくすることができ、鋼球１の検知範囲を広くすることができる。このため、鋼球１の通過経路を貫通孔により制限する必要をなくすことができる。

次に、第１の磁界発生源１１、第２の磁界発生源１２、および磁界検知器２０の配置の好ましい例について説明する。
（第１の例）
図２は、第１の磁界発生源１１、第２の磁界発生源１２、および磁界検知器２０の配置の第１の例を示す斜視図である。また、図３は、その平面図である。
本例では、図示するようなＸＹＺ座標におけるＸＹ平面内において、第１の磁界発生源１１の一方の磁極１１ａを通りＹ方向に延びる第１の直線２と、第２の磁界発生源１２の一方の磁極１１ａを通り第１の直線２と直交してＸ方向に延びる第２の直線３とが直交する位置に磁界検知器２０が配置される。

磁界検知器２０は、その感軸方向２１が直線２の方向と一致するＹ方向となるように配置されることが好ましい。磁界検知器２０は、感軸方向がＸＹ平面の法線、すなわちＺ方向になるように配置されてもよい。また、検知対象である鋼球１の通過方向１ａは、図示するように、直線２に平行にＹ方向に延びる直線４上であることが好ましい。

このように、第１の磁界発生源１１、第２の磁界発生源１２、および磁界検知器２０を配置することにより、感軸方向２１の磁界強度を小さく、かつ磁界強度の変化量を大きくすることができ、より高感度となり、鋼球１の検知範囲をより広くすることが可能となる。

（第２の例）
図４は、第１の磁界発生源１１、第２の磁界発生源１２、および磁界検知器２０の配置の第２の例を示す斜視図である。また、図５は、その側面図である。
本例では、図示するようなＸＹＺ座標におけるＸＹ平面内において、第１の直線２と第２の直線３とが直交する位置から、第１の磁界発生源１１の磁極１１ａと磁極１１ｂとの距離の５０％以内の距離（オフセット量）を、磁極１１ａから磁極１１ｂの向き（図中Ｚ方向下向き）に移動した位置（オフセット位置）に、磁界検知器２０が配置される。オフセット量が磁極１１ａと磁極１１ｂとの距離の５０％にて磁界強度が最小となり、０％から５０％の間で磁界強度を任意に調整することができる。

第２の例においても、磁界検知器２０は、その感軸方向２１が直線２の方向と一致するＹ方向となるように配置されることが好ましく、感軸方向がＸＹ平面の法線、すなわちＺ方向になるように配置されてもよい。また、検知対象である鋼球１の通過方向１ａは、図示するように、直線２に平行にＹ方向に延びる直線４上であることが好ましい。

第２の例によれば、磁界検知器２０を、第１の直線２と第２の直線３とが直交する位置から、第１の磁界発生源１１の磁極１１ａと磁極１１ｂとの距離の５０％以内の距離を、磁極１１ａから磁極１１ｂの向き（図中Ｚ方向下向き）に移動したオフセット位置に配置することで、第１および第２の磁界発生源１１および１２によって、磁界検知器２０に加わるバイアス磁界の強度を調整することができる。通常、磁気センサには、外部の磁界を感受可能な領域と不感となる領域があるが、本例のように磁界検知器２０の位置を所定の範囲で移動可能とすることにより、適切なバイアス磁界を設定し、感受可能な領域で動作させることが可能となる。これにより、鋼球１が通過する際の微弱な磁界変化の検出に、より適したものとなる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、第１および第２の磁界発生源、磁界検知器の配置関係は、上記第１の例および第２の例に限らず、所望の磁界強度および鋼球通過による磁界強度の変化量が得られれば、その配置は限定されない。

また、上記実施形態では、遊技機用の鋼球を検知する場合について示したが、磁性物体であればこれに限るものではなく、その大きさも特に限定されない。例えば磁性粒子の検知に用いることもできる。

次に、本発明の実施例について説明する。
まず、磁界発生源である磁石が１個の場合と、磁石が２個の場合とを比較する実験を行った。
ここでは、磁界発生源として、永久磁石（フェライトＳＲ３、寸法５×５×７ｍｍ）を使用し、磁界検知器として、磁気抵抗効果素子（ＧＩＧＳ（登録商標）（電気抵抗：約２００ｋΩ、飽和磁界：約４０ガウス、ＭＲ比：約１２％）を用い、バンドパスフィルタの周波数帯域：０．５Ｈｚ〜１ｋＨｚとし、信号増幅回路の増幅度は８０倍とした。また、試験に使用する鋼球としては、直径が約１１ｍｍφのものを用いた。また、鋼球の移動速度は、約０．５〜５ｍ／ｓとした。

図６は、この際の磁石と磁界検知器との配置を示す平面図である。図６（ａ）は、磁石を１個用いた比較例であり、磁石は磁界検知器からＹ方向に５ｍｍの位置に配置されている。磁石上面の磁極はＮ極である（Ｎ１８０）。（ｂ）は磁石を２個用い、一方の磁石は磁界検知器からＹ方向に５ｍｍの位置に配置され、他方の磁石は磁界検知器からＸ方向に５ｍｍの位置に配置されている。磁石上面の磁極はＮ極とＳ極である（ＮＳ９０）。（ｃ）は磁石および磁界検知器の配置は（ｂ）と同様であるが、磁石上面の磁極はいずれもＮ極である（ＮＮ９０）。（ｄ）は磁石を２個用い、２個の磁石を磁界検知器からＹ方向両側に５ｍｍずつ離れた位置に配置されている。磁石上面の磁極はＮ極とＳ極である（ＮＳ１８０）。これらの平面配置において、磁界検知器を磁石上面の磁極を含むＸＹ平面上に配置したもの（オフセットなし）と、ＸＹ平面の法線方向（Ｚ方向）下方に２ｍｍオフセットしたもの（オフセット２ｍｍ）について実験を行った。

図７は、各平面配置におけるオフセットなしとオフセット２ｍｍの場合のＹ方向のバイアス磁界（絶対値）を示す図である。この図に示すように、磁石が１個の場合よりも磁石が２個の場合のほうがバイアス磁界が小さくなり、特に、ＮＳ９０、ＮＮ９０が小さい値を示した。また、オフセット２ｍｍの位置でのバイアス磁界は、オフセットなしの位置でのバイアス磁界の１／２まで低減した。なお、ＮＳ９０とＮＮ９０とは位相が１８０度異なるのみで、本質は変わらず、Ｙ方向のバイアス磁界の絶対値はほぼ同等である。

次に、上記オフセット２ｍｍの場合において、磁石の磁極から約５ｍｍ上方位置を、図６のＹ軸と一致する方向に、移動速度約０．５〜５ｍ／ｓで鋼球を通過させた。図８にその際の磁界強度の変化量（％）を示す。この図に示すように、磁石を２個用いることにより、磁石１個の場合に比べ、磁界強度の変化量が３倍程度向上することが確認された。

このように、磁石を２個設けることにより、磁石１個の場合よりもバイアス磁界を小さく、かつ磁界変化量を大きくすることができるので、信号強度や信号のＳＮ比を大きくすることができる。特に、ＮＳ９０とＮＮ９０の場合にバイアス磁界を小さくすることができ、より信号強度や信号のＳＮ比を大きくすることができる。また、オフセット２ｍｍとすることにより、バイアス磁界を調整可能なことが確認された。

次に、図４、５に示す第２の例の位置に、上記例と同じ磁石からなる第１の磁界発生源１１および第２の磁界発生源１２、および上記例と同じ磁界検知器２０を配置した。磁界検知器のオフセット量は、上記例と同様、２ｍｍとした。磁界検知から各磁石までの距離は５ｍｍとした。

このように構成される鋼球検知器について、磁界発生源１１の磁極を通るＹ方向に沿った直線２から約５ｍｍ上方位置を、この直線２に平行な直線４に沿って、移動速度約１ｍ／ｓで通過させた。

図９は、この際の鋼球検知器の出力波形を示す図である。図９に示すように、ピーク電圧で約０．７Ｖの信号強度が得られ、その際のノイズレベルは約１ｍＶであり、高いＳＮ比、高い感度が得られたことが確認された。

次に、第１および第２の磁界発生源の位相角を変化させて磁界強度を求めた。位相角は平面図において、第１の磁界発生源と磁界検知器とを結ぶ線と、第２の磁界発生源と磁界検知器とを結ぶ線との角度であり、上記第１の例および第２の例の位相角は９０度である。第１の磁界発生源および第２の磁界発生源を構成する磁石、ならびに磁界検知器としては上記例と同じものを用い、磁界検知器のオフセット量は、上記例と同様、２ｍｍとした。磁界検知から各磁石までの距離は５ｍｍとした。磁界検知器の感軸方向はＹ方向とした。

図１０は、第１および第２の磁界発生源の位相角と各方向の磁界強度との関係を示す図である。この図に示すように、磁界検知器の感軸方向であるＹ方向の磁界強度は、位相角が約９０度において、約２０ガウスを示し、最適値（飽和磁界４０ガウスの中点）であることがわかる。

次に、上記各位相角の場合において、第１の磁界発生源の磁極から約５ｍｍ上方位置を、第１の磁界発生源から磁界検知器を結ぶＹ方向に沿った直線と平行な直線の方向に鋼球を通過させ、その際の磁界変化を求めた。

図１１は、第１および第２の磁界発生源の位相角と各方向の鋼球通過にともなう磁界強度の変化量との関係を示す図である。この図に示すように、Ｙ方向の磁界強度の変化量は、磁界強度が最適値を示す位相角９０度において、約２ガウスであることがわかる。磁界強度の変化量の最大値は、位相角４５度における約３ガウスであるが、位相角４５度では磁界強度が約１１０ガウスと飽和磁界４０ガウスを大きく超える値であり、鋼球検知器としてのトータルの感度は低下する。したがって、磁界検知器の感軸方向をＹ方向とする場合は、第１および第２の磁界発生源の位相角は９０度が好適である。

また、図１０、図１１に示すように、磁界検知器の感軸方向をＺ軸とする場合でも計測が可能であり、この場合にも第１および第２の磁界発生源の位相角が９０度のときが好適である。

次に、鋼球検知装置の出力信号の鋼球速度依存性について調査した。その結果を図１２に示す。この図に示すように、出力信号の鋼球速度依存性はほとんどないことが確認された。

１；磁性物体（鋼球）、１ａ；通過方向、２，３，４；直線、１０；磁界発生ユニット（磁界発生手段）、１１；第１の磁界発生源、１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ；磁極、１２；第２の磁界発生源、２０；磁界検知器、２１；感軸方向、３０；信号処理回路、３１；検知回路、３２；バンドパスフィルタ、３３；信号増幅回路、３４；信号判定回路

Claims (4)

1. 磁性物体の動的状態による磁界の変化により磁性物体を検知する磁性物体検知器であって、
   磁性物体が通過する領域に磁界を発生させる磁界発生手段と、
   前記磁界発生手段から発生した磁界の前記磁性物体の通過による変化を検知する磁界検知器と、
   前記磁界検知器の出力を処理するための信号処理回路と
   を具備し、
   前記磁界発生手段は、それぞれ一対の磁極を有する、第１の磁界発生源および第２の磁界発生源を有し、前記第１の磁界発生源の一方の磁極と前記第２の磁界発生源の一方の磁極とが同一の平面内に存在することを特徴とする磁性物体検知器。
2. 前記平面内において、前記第１の磁界発生源の前記一方の磁極を通る第１の直線と、前記第２の磁界発生源の前記一方の磁極を通り前記第１の直線と直交する第２の直線とが直交する位置に前記磁界検知器が配置され、
   前記磁界検知器の感軸方向が、前記第１の直線の方向または前記平面の法線方向と一致しており、
   前記磁性物体が、前記第１の直線と平行な直線上を通過することを特徴とする請求項１に記載の磁性物体検知器。
3. 前記第１の磁界発生源および前記第２の磁界発生源は、前記一方の磁極とそれと対向する他方の磁極とを通る直線が、前記平面の法線方向と一致するように配置され、
   前記平面内において、前記第１の磁界発生源の前記一方の磁極を通る第１の直線と、前記第２の磁界発生源の前記一方の磁極を通り前記第１の直線と直交する第２の直線とが直交する位置から、前記第１の磁界発生源の前記一方の磁極と前記他方の磁極の距離の５０％以内の距離を、前記一方の磁極から前記他方の磁極の向きに移動した位置に前記磁界検知器が配置され、
   前記磁界検知器の感軸方向が、前記第１の直線の方向または前記平面の法線方向と一致しており、
   前記磁性物体が、前記第１の直線と平行な直線上を通過することを特徴とする請求項１に記載の磁性物体検知器。
4. 前記信号処理回路は、少なくとも一つの前記磁界検知器を含んでブリッジ回路を構成するように設けられた検知回路部と、検知信号のうちの所定周波数帯域外の成分を除去するバンドパス回路部と、信号を増幅する信号増幅回路部とを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の磁性物体検知器。

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