JP4524461B2 - ジャンプ素子を利用したセンサの自己診断方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ジャンプ素子を利用したセンサの自己診断方法および装置に関するものである。

物体の存在、不存在や移動する物体の移動位置や移動速度等を検出することは、自動制御の分野や、電気および電子機器等の各種の分野において必要とされている。従来、このような分野において使用できるセンサとしては、種々なものが開発され使用されてきている。それらのセンサの中で一般的なものとしては、電磁ピックアップや磁気抵抗素子、ホール素子、光素子、音波素子等を利用した位置センサ、角度センサ、速度センサ等がある。しかし、電磁ピックアップは、被検知物体の移動速度が極低速では、発生する電圧が低く、ノイズレベル近辺となってしまうという問題があり、また、ホール素子等を利用したセンサでは、ホール素子等を付勢しておくための電源が別個に必要であり、無電源とすることはできない等の問題点があった。
これら問題点を有するセンサに代わりうるものとして、本出願人等による、例えば、特開平１１−９４５８８号公報や特開平１１−１９５９６４号公報等に開示されているようなジャンプ素子を利用したセンサが開発されてきている。これらのジャンプ素子を利用したセンサは、一般的に、大バルクハウゼンジャンプを起こしうる磁性素子（以下、ジャンプ素子という）と、このジャンプ素子に関連して配置された検出手段（以下、ピックアップコイルという）と、被検知物体の移動に応じてジャンプ素子に対して相対的に移動可能とされ且つジャンプ素子に大バルクハウゼンジャンプを起こしうる磁界を作用させる作用磁界発生手段とを備えたものである。これらのジャンプ素子を利用したセンサは、被検知物体の移動速度に関係なく物体の移動位置や移動速度を検出でき、また、極めて高い分解能をうることができ、しかも、無電源とすることができ、非常に応用分野の広いものである。
しかしながら、これらジャンプ素子を利用したセンサは、その動作原理上、所定の条件がそろった場合にのみパルス出力信号を発生するだけで、その他の状態においては何らの出力も発生しないことを一つの特徴としているものである。したがって、その他の状態にあっては、被検知物体が存在するのか存在しないのか、センサやジャンプ素子自体の現在の状態がどのようになっているのか、また、ジャンプ素子を利用したセンサが正常に動作することが可能な状態なのか、不良・異常状態なのか、ということが判り難いものである。
この点詳述すると、常に物体が比較的速く繰り返し存在、不存在を繰り返すような、例えば、中・高速回転体の回転検知や、次々と間を空けず物体が現れることが必然的・常態的な、例えば、大量生産製品の搬送ラインにおける個数検知のような場合であるならば、パルス出力の発生状態を以って物体の存在、不存在は元よりジャンプ素子を利用したセンサ自体の正常・異常も確認できる。しかし、例えば、被検知物体としての窓やドア等の開閉あるいは物体の不定期な接近や存在等、凡そ物体の移動や存在、不存在が不定期だったり、時間的間隔が比較的に長い場合には、「現在」の物体やジャンプ素子自体およびジャンプ素子を利用したセンサ自体がどのような状態にあるのかを常に確実に確認することはできない。また、一旦電源オフ状態とした機器類を再度電源オン状態にした際に、被検知物体やジャンプ素子自体およびジャンプ素子を利用したセンサがどのような初期状態であるのか、また、ジャンプ素子を利用したセンサが正常に動作することが可能な状態なのか、不良・異常状態なのか、ということが判り難い。
これは、ジャンプ素子を利用したセンサ以外の前述したような各種センサ、例えば、磁気抵抗素子やホール素子あるいは光素子や音波素子等常に電力を与えておいて発生している出力電流の変化を以って検知するセンサであれば、対象物体の存在、不存在やセンサ自体の正常・異常は、その出力で常に必ず確認できるのとは、全く異なるものである。
したがって、本発明の目的は、前述したようなジャンプ素子を利用したセンサの問題点を解消しうるような、センサの自己診断方法および装置を提供することである。

本発明は、ジャンプ素子を利用したセンサについて、物体（検知対象物体あるいは何らかの作用物体）の存在／不存在、およびセンサやジャンプ素子自体についての現在状態および動作可能状態／不良・異常状態、等を確認できるような方法および装置を提供するものである。
本発明の一つの観点によれば、ジャンプ素子を利用したセンサのための自己診断方法において、前記ジャンプ素子の磁気履歴の状態を変化させるに十分な励磁信号を該ジャンプ素子に対して印加し、前記センサの出力信号を受信し、該出力信号を識別することにより前記センサの状態を検出することを特徴とする自己診断方法が提供される。
本発明の別の観点によれば、ジャンプ素子を利用したセンサのための自己診断装置において、前記ジャンプ素子の磁気履歴の状態を変化させるに十分な励磁信号を該ジャンプ素子に対して印加する励磁信号印加ユニットと、前記センサの出力信号を受信して該出力信号を識別して該センサの状態を指示する状態信号を出力する出力信号識別ユニットとを備えることを特徴とする自己診断装置が提供される。
本発明の一つの実施の形態によれば、前記励磁信号印加ユニットは、前記センサのピックアップコイルに直接的に励磁信号を印加する。
本発明の別の実施の形態によれば、前記励磁信号印加ユニットは、前記ジャンプ素子の近傍に配置した励磁信号印加コイルと、該励磁信号印加コイルに印加するための励磁信号を発生するための励磁信号発生回路とを備える。
本発明のさらに別の実施の形態によれば、前記出力信号識別ユニットは、前記センサのピックアップコイルの出力端子に接続される。
本発明のさらに別の実施の形態によれば、前記励磁信号は、一方の極性から他方の極性へと変化する少なくとも１サイクル分の交流電流波形を有するものである。
本発明のさらに別の実施の形態によれば、前記励磁信号は、前記励磁信号印加後の前記ジャンプ素子の磁気履歴の状態が、該励磁信号印加前の該ジャンプ素子の磁気履歴の状態と同じとなるようなものである。
次に、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態および実施例について、本発明をより詳細に説明する。

第１図は、ジャンプ素子の磁気履歴（ヒステリシス）曲線と発生するパルス出力との関係を説明するための図である。
第２図は、本発明によるジャンプ素子を利用したセンサの自己診断方法を実施する本発明の一実施例としての自己診断装置の構成例を示すブロック図である。
第３図は、本発明の自己診断に使用する励磁信号の波形例を示す図である。
第４図は、本発明の自己診断において出力される出力曲線を説明するための図である。
第５図は、本発明の自己診断においてある励磁信号を使用した場合におけるセンサの状態に応じて出力されるパルス列を説明するための図である。
第６図は、本発明の自己診断において別の励磁信号を使用した場合におけるセンサの状態に応じて出力されるパルス列を説明するための図である。
第７図は、本発明の自己診断においてさらに別の励磁信号を使用した場合におけるセンサの状態に応じて出力されるパルス列を説明するための図である。
第８図は、本発明の自己診断においてさらに別の励磁信号を使用した場合におけるセンサの状態に応じて出力されるパルス列を説明し且つ自己診断後においてセンサを自己診断の前の状態に戻すための手法を説明するための図である。
発明を実施するための好ましい形態
本発明の実施の形態および実施例について説明する前に、添付図面の第１図を参照して、自己診断すべきセンサに使用されているジャンプ素子の磁気履歴曲線と自己診断において出力されるパルス出力との関係について説明する。一般的に、ジャンプ素子は、第１図の上部に磁気履歴曲線として例示されるような磁気履歴を有しているものである。この磁気履歴曲線に示されるように、ジャンプ素子自体の状態としては、磁気履歴曲線の下部に対応させて示したパルス出力との関係において、パルス出力が発生している瞬間、すなわち、逆パルス発生点（α点）および正パルス発生点（β点）以外においては、必ず▲１▼〜▲４▼の状態または領域のうちのいずれかにある。
第１図において、▲１▼の領域は、逆極性の磁界がかけられた状態または領域で、α点より大きな磁界がかかっている状態または領域である。▲２▼の領域は、▲１▼の領域から、かける磁界が弱まりα点を越えてβ点の直前までの状態または領域である。▲３▼の領域は、β点を越えた後であり、なおも正極性の磁界がかけられている状態または領域である。▲４▼の領域は、▲３▼の領域から、かける磁界が弱まりβ点を越えてα点の直前までの状態または領域である。
次に、本発明の自己診断方法を実施するための自己診断装置の構成例について説明する。第２図の（ａ）は、本発明によるジャンプ素子を利用したセンサの自己診断装置の一実施例の構成を概略的に示しており、第２図の（ｂ）は、本発明によるジャンプ素子を利用したセンサの自己診断装置の別の実施例の構成を概略的に示している。第２図の（ａ）の実施例は、自己診断すべきセンサのジャンプ素子１に関連して配置された検出手段としてのピックアップコイル２に自己診断のための励磁信号を直接的に印加する型のものである。この実施例の自己診断装置は、ピックアップコイル２の出力端子２Ａおよび２Ｂの間に接続される励磁信号印加ユニット１０と、パルス出力識別ユニット２０とを備える。第２図の（ｂ）の実施例は、自己診断すべきセンサのジャンプ素子１の近傍に配置した励磁信号印加コイル１２Ａにより自己診断のための励磁信号をジャンプ素子１に印加する型のものである。この実施例の自己診断装置は、励磁信号発生回路１１Ａおよび励磁信号印加コイル１２Ａからなる励磁信号印加ユニット１０Ａと、ピックアップコイル２の出力端子２Ａおよび２Ｂの間に接続されるパルス出力識別ユニット２０Ａとを備える。
第３図は、ジャンプ素子１を利用したセンサの自己診断のためにピックアップコイル２または励磁信号印加コイル１２Ａに印加するための励磁信号の波形例を示す図である。この励磁信号の波形は、正から負に変化する１サイクル分の矩形電流波形であり、その振幅は、第１図に関して説明したジャンプ素子１の状態をα点からβ点へと、また、β点からα点へと移行させるに十分なものとしたものである。したがって、励磁信号印加ユニット１０および励磁信号発生回路１１Ａは、このような励磁信号を発生しうるものであれば、任意のものであってよく、既知の手段を適用しうる。
第４図の（ａ）は、ジャンプ素子１が第１図に関して説明した▲１▼または▲２▼の領域にあるときに、第３図の励磁信号をピックアップコイル２に印加した場合に、ピックアップコイル２の出力端子２Ａおよび２Ｂの間に出力される自己診断出力波形の例を示している。この場合には、自己診断出力波形は、第４図の（ａ）に示すように、励磁信号による出力波形にジャンプ素子１の大バルクハウゼンジャンプによるパルス出力の波形が重畳された形となっている。
第４図の（ｂ）は、ジャンプ素子１が第１図に関して説明した▲１▼または▲２▼の領域にあるときに、第３図の励磁信号を励磁信号印加コイル１２Ａに印加した場合に、ピックアップコイル２の出力端子２Ａおよび２Ｂの間に出力される自己診断出力波形の例を示している。この場合には、自己診断出力波形は、第４図の（ｂ）に示すように、ジャンプ素子１の大バルクハウゼンジャンプによるパルス出力の波形のみからなる形となっている。
次に、第５図から第８図を参照して、本発明による自己診断の動作原理についてより詳細に説明していく。先ず、第５図は、自己診断のために使用する励磁信号として、第３図に例示したような波形のものとした場合において、センサのジャンプ素子１の磁気履歴の状態に応じてピックアップコイル２の出力端子２Ａおよび２Ｂに出力される自己診断出力波形をそれぞれ例示したものである。すなわち、第５図の（ａ）は、使用する励磁信号波形を示しており、第５図の（ｂ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲１▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第５図の（ｃ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲２▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第５図の（ｄ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲３▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第５図の（ｅ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲４▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示している。これら自己診断出力波形を比較すれば判るように、それらの波形により、ジャンプ素子１の磁気履歴の状態がどの領域にあったのかを区別して知ることができる。したがって、ピックアップコイル２の出力端子２Ａおよび２Ｂに接続したパルス出力識別ユニット２０または２０Ａにて、そこに出力されてくる出力パルスのパターンを認識してそれに応じた状態信号を出力することにより、センサの状態を知ることができる。ここで、パルス出力識別ユニット２０または２０Ａが出力する状態信号は、例えば、ジャンプ素子１が▲１▼の状態にあったのか、▲２▼の状態にあったのか、▲３▼の状態にあったのか、▲４▼の状態にあったのか、等を指示するものであれば任意のものでよい。また、パルス出力識別ユニット２０または２０Ａは、出力パルスのパターンを区別して認識しうるものであれば任意のものでよく、既知のその種のユニットでよい。
なお、第５図の（ｂ）と（ｃ）との出力パルスのパターンを比較するとわかるように、この第５図の（ａ）に示した励磁信号を使用した場合には、ジャンプ素子１が▲１▼の領域にあったのか▲２▼の領域にあったのかを区別することはできない。また、第５図の出力波形は、第２図の（ｂ）の実施例にて得られるものとして示しているのであるが、第２図の（ａ）の実施例にて得られる出力波形も、これに励磁信号による出力波形に重畳させたようなもの（第４図の（ａ）の波形参照）となるだけであるので、これらについては繰り返し説明しない。これは、第６図から第８図の例についての説明においても同じである。
次に、第６図は、自己診断のために使用する励磁信号として、第３図に例示したような波形と１８０度位相のずれた波形のものとした場合において、センサのジャンプ素子１の磁気履歴の状態に応じてピックアップコイル２の出力端子２Ａおよび２Ｂに出力される自己診断出力波形をそれぞれ例示したものである。すなわち、第６図の（ａ）は、使用する励磁信号波形（第３図の波形と位相が１８０度ずれたもの）を示しており、第６図の（ｂ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲１▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第６図の（ｃ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲２▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第６図の（ｄ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲３▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第６図の（ｅ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲４▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示している。これら自己診断出力波形を比較すれば判るように、それらの波形により、ジャンプ素子１の磁気履歴の状態がどの領域にあったのかを区別して知ることができる。
なお、第６図の（ｄ）と（ｅ）との出力パルスのパターンを比較するとわかるように、この第６図の（ａ）に示した励磁信号を使用した場合には、ジャンプ素子１が▲３▼の領域にあったのか▲４▼の領域にあったのかを区別することはできない。
以上の説明から判るように、ジャンプ素子１が▲１▼の領域にあったのか▲２▼の領域にあったのか、または、▲３▼の領域にあったのか▲４▼の領域にあったのかを、明確に区別して検知するには、第５図にて使用した励磁信号と第６図にて使用した励磁信号を併用した自己診断を行えばよい。
次に、第７図は、自己診断のために使用する励磁信号としてさらに別の波形を有するものを使用した場合において、センサのジャンプ素子１の磁気履歴の状態に応じてピックアップコイル２の出力端子２Ａおよび２Ｂに出力される自己診断出力波形をそれぞれ例示したものである。すなわち、第７図の（ａ）は、その使用する励磁信号波形を示しており、第７図の（ｂ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲１▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第７図の（ｃ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲２▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第７図の（ｄ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲３▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第７図の（ｅ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲４▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示している。これら自己診断出力波形を比較すれば判るように、それらの波形により、ジャンプ素子１の磁気履歴の状態がどの領域にあったのかを区別して知ることができる。
次に、第８図は、自己診断のために使用する励磁信号としてさらに別の波形を有するものを使用した場合において、センサのジャンプ素子１の磁気履歴の状態に応じてピックアップコイル２の出力端子２Ａおよび２Ｂに出力される自己診断出力波形をそれぞれ例示したものである。すなわち、第８図の（ａ）は、その使用する励磁信号波形を示しており、第８図の（ｂ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲１▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第８図の（ｃ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲２▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第８図の（ｄ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲３▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示しており、第８図の（ｅ）は、励磁信号を印加する前におけるジャンプ素子１の磁気履歴の状態が第１図に関して説明した▲４▼の領域にあったときに得られる自己診断波形を例示している。これら自己診断出力波形を比較すれば判るように、それらの波形により、ジャンプ素子１の磁気履歴の状態がどの領域にあったのかを区別して知ることができる。
この第８図の（ａ）に示すような波形の励磁信号を使用すると、センサのジャンプ素子１の磁気履歴の状態が、自己診断のために励磁信号を印加した後に、その印加前の元の状態と同じとなるようにするのに好都合である。すなわち、第８図の（ｂ）、（ｄ）および（ｅ）に示されるように（各出力パルス波形の右側端に付した符号は、励磁信号を印加後のジャンプ素子の磁気履歴の状態を示している）、励磁信号印加後のジャンプ素子の磁気履歴の状態は、励磁信号印加前のジャンプ素子の磁気履歴の状態と同じとなっている。ただし、第８図の（ｃ）の場合には、その右側に示すような励磁信号をさらに印加することにより、ジャンプ素子の磁気履歴の状態は、元の状態と同じものとされている。
なお、前述の説明においては、自己診断のために励磁信号を印加した結果としてピックアップコイルの出力端子に出力される出力パルスの波形は、その自己診断しているセンサの各構成部分が正常であるとしてのものである。しかし、自己診断しているセンサの、例えば、ピックアップコイルが断線しているような場合には、励磁信号を印加してもそのピックアップコイルの出力端子には全くパルスは出力されないであろうし、また、そのセンサの、例えば、ジャンプ素子が破損しているような場合あるいはその他の回路や素子に異常がある場合にもそのピックアップコイルの出力端子には所定のパルスは出力されないであろうから、これらの点を予め把握しておくことにより、センサの各種の故障等も識別して検出することができる。
また、前述した実施例では、励磁信号の波形として、矩形の交流電流波形を用いたのであるが、本発明は、これに限らず、正弦波、鋸歯状波、三角波等の任意の交流電流波形を用いることもできる。しかし、矩形交流電流波形を用いると、励磁信号の立上りおよび立下りが急峻となるので、これに応じて発生する出力パルスの形状も明確に区別しうるものとなるので、センサの状態の識別がより容易に且つ正確に行える点で有利である。

本発明によれば、励磁信号を印加するだけで、ジャンプ素子を利用したセンサの現在状態および動作可能状態、不良・異常状態等を容易に確認できるので、このセンサを介して制御される機器に故障が生じたような場合にも、その故障の原因がセンサ自体にあるのか、その機器のその他の構成部分にあるのかを容易に判別することができる。

Claims (7)

1. ジャンプ素子を利用したセンサのための自己診断方法において、前記ジャンプ素子の磁気履歴の状態を変化させるに十分な励磁信号を該ジャンプ素子に対して印加し、前記センサの出力信号を受信し、該出力信号を識別することにより前記センサの状態を検出し、
   前記励磁信号は、前記励磁信号印加後の前記ジャンプ素子の磁気履歴の状態が、該励磁信号印加前の該ジャンプ素子の磁気履歴の状態と同じとなるようなものであることを特徴とする自己診断方法。
2. 前記励磁信号は、一方の極性から他方の極性へと変化する少なくとも１サイクル分の交流電流波形を有するものである請求項１に記載の自己診断方法。
3. ジャンプ素子を利用したセンサのための自己診断装置において、前記ジャンプ素子の磁気履歴の状態を変化させるに十分な励磁信号を該ジャンプ素子に対して印加する励磁信号印加ユニットと、前記センサの出力信号を受信して該出力信号を識別して該センサの状態を指示する状態信号を出力する出力信号識別ユニットとを備え、
   前記励磁信号は、前記励磁信号印加後の前記ジャンプ素子の磁気履歴の状態が、該励磁信号印加前の該ジャンプ素子の磁気履歴の状態と同じとなるようなものであることを特徴とする、センサシステムに組み込まれており、センサ自身を診断するための、自己診断装置。
4. 前記励磁信号印加ユニットは、前記センサのピックアップコイルに直接的に励磁信号を印加する請求項３に記載の自己診断装置。
5. 前記励磁信号印加ユニットは、前記ジャンプ素子の近傍に配置した励磁信号印加コイルと、該励磁信号印加コイルに印加するための励磁信号を発生するための励磁信号発生回路とを備える請求項３に記載の自己診断装置。
6. 前記出力信号識別ユニットは、前記センサのピックアップコイルの出力端子に接続される請求項３または４または５に記載の自己診断装置。
7. 前記励磁信号は、一方の極性から他方の極性へと変化する少なくとも１サイクル分の交流電流波形を有するものである請求項３から６のうちのいずれか１項に記載の自己診断装置。

Images