(57)【要約】【課題】外部電磁界と検出コイルとの間に強い磁気結合があっても誤動作や誤検出を防止でき、外部から電磁波の照射を受けても誤動作を防止できる低コストの近接センサを提供する。【解決手段】近接センサは、金属体との相対位置に応じてインピーダンスが変化する検出コイル１と、検出コイル１が接続されるコイル端子ｔａ，ｔｂを有するとともに、少なくとも一部の回路が集積回路で構成され、検出コイル１のインピーダンス値に応じて金属体の有無又は相対位置に関わる検出信号を生成する検出回路２と、検出コイル１の両端間に逆並列接続されたダイオード３ａ，３ｂからなり、検出コイル１の両端間に発生する電圧が所定のクランプ電圧を超えると、両端電圧をクランプ電圧に制限する双方向クランプ回路３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属体との相対位置に応じてインピーダンスが変化する検出コイルと、
前記検出コイルが接続されるコイル端子を有するとともに、少なくとも一部の回路が集積回路で構成され、前記検出コイルのインピーダンス値に応じて金属体の有無又は相対位置に関わる検出信号を生成する検出回路と、
前記検出コイルの両端間に接続された双方向クランプ回路とを備えたことを特徴とする近接センサ。
【請求項２】
前記双方向クランプ回路による双方向のクランプ電圧が同じ電圧値であることを特徴とする請求項１記載の近接センサ。
【請求項３】
前記双方向クランプ回路が逆並列接続されたダイオードからなることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の近接センサ。
【請求項４】
前記検出コイルと並列に共振用のコンデンサが接続されてＬＣ共振回路が構成され、
前記検出回路が、負性コンダクタンスを有しＬＣ共振回路の発振電圧に応じた帰還電流をＬＣ共振回路に正帰還させる発振回路と、ＬＣ共振回路の発振状態を弁別する弁別回路とを少なくとも備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の近接センサ。
【請求項５】
前記弁別回路は、前記検出コイルの両端間に発生する電圧の正電位側の振幅をもとに、発振状態を弁別することを特徴とする請求項４記載の近接センサ。
【請求項６】
前記検出コイルに発生する発振電圧の発振周波数に比べてカットオフ周波数の高い低域通過フィルタが、検出コイルと前記検出回路との間に接続されたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の近接センサ。
【請求項７】
前記低域通過フィルタの、前記検出コイルと直列に接続される回路部品が、インダクタンス性を有する回路部品からなることを特徴とする請求項６記載の近接センサ。
【請求項８】
前記双方向クランプ回路が前記集積回路に内蔵されたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の近接センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属体（導電体）や磁性体等からなる被検知物体を検知する近接センサとして高周波発振型のものが知られている（例えば特許文献１参照）。高周波発振型の近接センサは、ＬＣ共振回路を構成する検出コイルに金属体が接近すると、電磁誘導作用によって渦電流損が生じて検出コイルの実効抵抗値（インピーダンス）が変化することを利用したものであり、この変化を信号処理回路の出力として取り出すものである。
【０００３】
図５は、特許文献１に開示された近接センサの回路図である。この近接センサは、検出コイル１及びコンデンサ４の並列回路からなり一端が接地されたＬＣ共振回路５と、ＬＣ共振回路５の他端にエミッタが接続されるとともにコレクタ−ベース間が短絡され、ＬＣ共振回路５の発振電圧の振幅をレベルシフトするレベルシフト用のｎｐｎ型トランジスタ１０と、トランジスタ１０のコレクタに一定電流を流す定電流源１５と、レベルシフトされた発振電圧に応じた帰還電流Ｉ１をＬＣ共振回路５に正帰還させる発振回路１４と、発振回路１４から出力される帰還電流Ｉ１を決定する帰還抵抗１６と、トランジスタ１０のベースに接続され、レベルシフトされた発振電圧に基づいて金属体の検知／非検知に応じた信号を発生する信号処理回路３２と、発振の最高振幅を制限する振幅制限回路４１とを備える。
【０００４】
発振回路１４は、ベース間及びエミッタ間がそれぞれ接続されてカレントミラー回路を構成し、各々のエミッタに定電圧回路３１からの定電圧Ｖccが印加されるｐｎｐ型のトランジスタ１２，１３と、ベースがトランジスタ１０のベースに接続されるとともに、コレクタがトランジスタ１２のコレクタに接続され、エミッタが帰還抵抗１６に接続されてエミッタフォロワを構成するｎｐｎ型のトランジスタ１１とを備える。尚、電源ＶＤＤの低圧側端（ＧＮＤ）から高圧側端に向かってダイオード３５，３６の直列回路が順方向に接続されており、ダイオード３５，３６の接続点はトランジスタ１１のエミッタに接続されている。
【０００５】
振幅制限回路４１では、定電圧回路３１の両端間に抵抗４４、ｎｐｎ型のトランジスタ４３、及び直流電圧源４５の直列回路が接続され、トランジスタ４３のベースは、トランジスタ１０，１１のベースに接続されている。そして、定電圧回路３１の高圧側端とトランジスタ１１のエミッタとの間にはトランジスタ４２が接続され、このトランジスタ４２のベースは、抵抗４４とトランジスタ４３との接続中点に接続されている。
【０００６】
この近接スイッチでは、トランジスタ１０と定電流源１５と発振回路１４とが同一の半導体チップに集積されて集積回路（ＩＣ）３０を構成しており、ＩＣ３０は、電源ＶＤＤの高圧側端に接続される電源端子ｔ１と、電源ＶＤＤの低圧側端に接続されるＧＮＤ端子ｔ２と、帰還抵抗１６が接続されるＳＥＴ端子ｔ３と、ＬＣ共振回路５に接続されるＬＣ端子ｔ４とを備えている。
【０００７】
ところで、バイポーラＩＣのサブストレートはＰ型シリコンであり、通常は集積回路内の最低電位であるＧＮＤレベルに接続されているので、サブストレートからｎｐｎ型トランジスタ１０，１１のコレクタには、寄生ダイオードが存在することになる。したがって、ＬＣ共振回路５の発振振幅が増大して、レベルシフト用のトランジスタ１０のコレクタ電位が（−ＶＢＥ）を下回ると、寄生ダイオードが導通して、集積回路の動作が不安定になる。上述の振幅制限回路４１が、集積回路に形成される寄生ダイオードの導通を避けるべく、発振の最高振幅を２ＶＦ（但し、ＶＦはダイオードの順方向電圧）以下に抑えるために設けられており、発振振幅が所定値を超えようとすると、トランジスタ４２がオンして帰還抵抗１６に流れ込み、その結果、ＬＣ発振回路５への帰還電流Ｉ１が減少するから、ＬＣ発振回路５の負性コンダクタンスが抑制され、発振振幅の増大が抑制される。
【０００８】
次に、この近接センサの動作について説明する。金属体の非検出時には、ＬＣ共振回路５の両端に、検出コイル１のインダクタンス値とコンデンサ４の静電容量値とから決まる周波数の発振電圧が生じ、ＩＣ３０のトランジスタ１３から帰還電流Ｉ１を正帰還することによって発振を持続させている。ＬＣ共振回路５の発振電圧は、トランジスタ１０のベース−エミッタ間電圧ＶＢＥだけ電圧レベルがシフトされてトランジスタ１１のベースに入力されており、トランジスタ１１のコレクタには、トランジスタ１１のエミッタ電位と帰還抵抗１６とに応じた電流が流れ、トランジスタ１２，１３からなるカレントミラー回路によりトランジスタ１１のコレクタ電流に応じた帰還電流Ｉ１がＬＣ共振回路５に正帰還されることになる。またトランジスタ１１はエミッタフォロワに構成されており、トランジスタ１１のエミッタ電圧、すなわち帰還抵抗１６の両端電圧に応じて帰還電流Ｉ１の電流値が制御されるのである。
【０００９】
ここで、検出コイル１に導電体が接近すると、電磁誘導作用により渦電流損が生じて検出コイル１のインピーダンスが変化（コンダクタンスが増大）するため、ＬＣ共振回路５の発振電圧が小さくなり（発振停止も含む）、トランジスタ１０でレベルシフトされて信号処理回路３２に入力される電圧の振幅も小さくなるので、信号処理回路３２では、入力電圧の振幅の大／小に応じて金属体の接近を検出することができる。
【００１０】
このような近接センサは、例えばパチンコなどの遊技機の入賞口に設置され、入賞口を通過する遊技球を検出するために使用される。遊技球が入賞口を通過すると、検出コイル１のインピーダンスが変化して、ＬＣ共振回路５の発振電圧が低下するので、ＬＣ共振回路５の発振振幅の変化から遊技球の通過を検出することができるのである。
【００１１】
ところで、例えば冬場などには静電気によって遊技球に数１０ｋボルトの高電圧が帯電する場合があり、帯電した遊技球が検出コイル１の近傍を通過すると、ＬＣ端子ｔ４に高電圧が発生して、ＩＣ３０の誤動作や損傷を招く可能性があった。上述の振幅制限回路４１は、ＬＣ共振回路５の発振振幅の抑制には有効であるが、静電気等で検出コイル１の両端間に発生する高電圧を抑制することはできず、そのとめ、上記公報に開示された近接スイッチでは、静電気等からＩＣ３０を保護するために、ＬＣ端子ｔ４から電源ＶＤＤの高圧側端に電流を流す向きにダイオード３３が接続されるとともに、ＬＣ端子ｔ４から電源ＶＤＤの低圧側端に電流を流す向きに複数個のダイオード３４１〜３４３が直接接続されている。したがって、検出コイル１に発生する電圧の増大に応じて、ＬＣ端子ｔ４の電圧レベルが電源ＶＤＤの電圧値にダイオード３３の順方向電圧ＶＦを加えた上限電圧値（ＶＤＤ＋ＶＦ）を超えると、ダイオード３３が導通するので、ＬＣ端子ｔ４の電圧レベルが上限電圧値（ＶＤＤ＋ＶＦ）にクランプされる。またＬＣ端子ｔ４の電圧レベルが負側に振れて、３個のダイオード３４１〜３４３の順方向電圧の和（−３ＶＦ）を下回ると、ダイオード３４１〜３４３が導通することで、ＬＣ端子ｔ４の電圧レベルが（−３ＶＦ）にクランプされる。このように、ダイオード３３，３４１〜３４３によってＬＣ端子ｔ４の印加電圧をクランプすることによって、静電気保護を行うことができる。
【００１２】
また、上述した遊技機のような用途に使用される近接センサでは、入賞口に設置された近接センサに強力な電磁波を照射することによって、近接センサを誤検出させる不正行為が行われており、このような不正行為を検出するために、遊技機に照射される電磁波を検知する電波検知回路を備えた近接センサも従来提案されている（例えば、特許文献２−１３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−２６７７６５号公報
【特許文献２】特開２００８−３００５号公報
【特許文献３】特開２００６−３０４００８号公報
【特許文献４】特開２００６−３０４００７号公報
【特許文献５】特開２００４−２６４１８６号公報
【特許文献６】特開２００２−３０５２０３号公報
【特許文献７】特開２００２−１５２０２７号公報
【特許文献８】特開２００２−１２４８６４号公報
【特許文献９】特開２００２−５０９５４号公報
【特許文献１０】特開２００１−１４９５３２号公報
【特許文献１１】特開２０００−２３７３８５号公報
【特許文献１２】特開２０００−１０２６４８号公報
【特許文献１３】特開平１１−３０４５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記特許文献１に開示された近接センサでは、ＬＣ端子ｔ４の電圧レベルはダイオード３３，３４１〜３４３によってクランプされているが、ＬＣ端子ｔ４の電圧レベルを高圧側でクランプするダイオード３３は、電源ＶＤＤの高圧側端とＬＣ端子ｔ４との間に接続されているため、不正行為を行うために外部から与えられた外部電磁界との電磁結合によって生じる電磁誘導電圧は、少なくとも電源ＶＤＤの電圧値まで大きくなりえる。なお振幅制限回路４１は、ＬＣ共振回路５の発振振幅の抑制には有効であるが、電磁誘導作用はＬＣ共振回路５の発振動作とは別の原理で発生するため、外部電磁界との電磁誘導により検出コイル１の両端間に誘起される電圧を抑制することはできない。
【００１５】
また、ＬＣ端子ｔ４の電圧レベルを低圧側でクランプするダイオード３４１〜３４３は、電源ＶＤＤの低圧側端（ＧＮＤライン）とＬＣ端子ｔ４との間に接続されており、ＬＣ端子ｔ４の電圧レベルがクランプ電圧を超えて負側にならないようにしているが、正電位側での電圧スイングが大きな値まで許容されているために、負側の電圧スイングもやや大きくなり、クランプ電圧が意図した値（−ｎＶＦ）を超えて増大する可能性があった。またその場合には、負電位が大きくなってリーク電流の増加や寄生素子の導通などが発生するため、ＩＣ全体の動作が不安定になるという問題があった。
【００１６】
また近接スイッチの内部で定電圧Ｖccを発生させている場合のように、容量の小さい電源回路を備えている場合には、電磁誘導電圧によって電源が給電されて電圧が上昇し、回路特性が変動する可能性があった。
【００１７】
また特許文献２−１３に記載のものでは、強力な電磁波を照射する不正行為を検出するために、金属体を検出するためのＬＣ共振回路とは別に電波検知回路を設けており、コスト高を招くという問題があった。
【００１８】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、外部電磁界と検出コイルとの間に強い磁気結合があっても誤動作や誤検出を防止でき、外部から電磁波の照射を受けても誤動作を防止できる低コストの近接センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、金属体との相対位置に応じてインピーダンスが変化する検出コイルと、検出コイルが接続されるコイル端子を有するとともに、少なくとも一部の回路が集積回路で構成され、検出コイルのインピーダンス値に応じて金属体の有無又は相対位置に関わる検出信号を生成する検出回路と、検出コイルの両端間に接続された双方向クランプ回路とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、双方向クランプ回路による双方向のクランプ電圧が同じ電圧値であることを特徴とする。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、双方向クランプ回路が逆並列接続されたダイオードからなることを特徴とする。ここにおいて、逆並列接続とは、順方向電流の流れる向きが反対方向となるようにダイオードが並列接続された状態を言う。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか１つの発明において、検出コイルと並列に共振用のコンデンサが接続されてＬＣ共振回路が構成され、検出回路が、負性コンダクタンスを有しＬＣ共振回路の発振電圧に応じた帰還電流をＬＣ共振回路に正帰還させる発振回路と、ＬＣ共振回路の発振状態を弁別する弁別回路とを少なくとも備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、弁別回路は、ＬＣ共振回路による発振電圧の正電位側の振幅をもとに、発振状態を弁別することを特徴とする。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れか１つの発明において、検出コイルに発生する発振電圧の発振周波数に比べてカットオフ周波数の高い低域通過フィルタが、検出コイルと検出回路との間に接続されたことを特徴とする。
【００２５】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、低域通過フィルタの、検出コイルと直列に接続される回路部品が、インダクタンス性を有する回路部品からなることを特徴とする。
【００２６】
請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れか１つの発明において、双方向クランプ回路が集積回路に内蔵されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１の発明によれば、外部電磁界と検出コイルとの間に強い磁気結合が生じて、検出コイルに電磁誘導電圧が誘起された場合でも、検出コイルの両端間に接続された双方向クランプ回路が導通することで、検出コイルの両端間にクランプ電圧を超える電圧が発生するのを抑制することができる。したがって、検出コイルが接続されるコイル端子の電圧レベルが正負何れの側でもクランプ電圧を超えることはなく、また検出回路の内部で電源を生成する場合でも電磁誘導電圧によって電源電圧が異常値となることがないから、検出回路の動作が不安定になったり、誤検出が発生する可能性を低減することができる。また従来の近接センサのように外部から照射される電磁波を検出するための電波検出回路を設けなくても、外部電磁界による誤検出を抑制できるから、電波検出回路が不要であり、近接センサの回路構成を簡単にできるという効果がある。
【００２８】
ここで、双方向クランプ回路による双方向のクランプ電圧が異なっている場合、検出コイルに発生する電圧が、電圧値の大きい一方のクランプ電圧までスイングすると、逆方向にスイングする際に他方のクランプ電圧を超えて電圧スイングする可能性があるが、請求項２の発明によれば、双方向のクランプ電圧が同じ電圧値となっているので、検出コイルに発生する電圧が、電圧値の大きい側のクランプ電圧までスイングすることによって、逆方向にスイングする際にクランプ電圧を超えて電圧スイングするのを防止することができる。
【００２９】
請求項３の発明によれば、負電位側の電圧レベルを、ＰＮ接合が導通しない程度の電圧レベルに抑制することができる。
【００３０】
請求項４の発明によれば、検出コイルに共振用のコンデンサが並列接続されてＬＣ共振回路を構成しているので、高周波発振型の近接スイッチとして動作させることができる。しかも、ＬＣ共振回路の発振振幅は双方向クランプ回路によって制限されるので、ＬＣ共振回路の発振電圧のピーク値が所定値を超えると発振電圧の増大を抑制する振幅制限回路を別途備える必要が無く、また振幅制限回路を備えた場合には電磁誘導時に発振電圧のピーク値が増加すると発振動作を抑制するような動作も発生するが、請求項４の発明では振幅制限回路を備えておらず、検出コイルの両端電圧がクランプレベルになると、発振回路の負性コンダクタンスが下がり、結果的に発振振幅がクランプレベルよりも僅かに小さい値に落ち着くので、振幅制限回路を備えた場合のように電磁誘導時に発振振幅を抑制するような動作が行われることはない。また近接スイッチの検出特性は、検出コイルのコンダクタンスと発振回路の負性コンダクタンスの絶対値との大小関係のみで決まるから、双方向クランプ回路によって検出コイルの両端電圧の振幅を制限したとしても、検出特性に悪影響を与えることはないという利点もある。
【００３１】
また、高周波の外部電磁界と検出コイルとの電磁誘導が存在する場合、検出回路内のトランジスタの周波数応答特性に由来して弁別点の電位は負電位側にずれることになるが、請求項５の発明によれば、正電位側の振幅をもとに発振状態を弁別しているので、外部電磁界が存在する場合であっても金属体の弁別を誤ることがない。また金属体の非検出時には電磁誘導が存在する場合でも、誘導電圧がクランプ電圧以下であるため集積回路を含む検出回路の動作は不安定化せず、ＬＣ共振回路は通常通り発振を継続するので、金属体の弁別を誤ることがない。
【００３２】
請求項６の発明によれば、検出コイルの両端間に発生する発振電圧も、電磁誘導により誘起される電磁誘導電圧も、共に双方向クランプ回路によってクランプ電圧に制限されるのであるが、電磁誘導の周波数がカットオフ周波数よりも高い場合には、双方向クランプ回路のクランプ電圧に制限された上で低域通過フィルタによって減衰されるから、検出回路に入力される電磁誘導電圧の電圧成分を低減できる。高周波の電磁誘導電圧が検出回路に入力されると、検出回路内のトランジスタの周波数応答特性に由来して回路特性が変化する可能性があるが、低域通過フィルタを設けることで、検出回路に入力される電磁誘導電圧の電圧成分が低減されるから、検出回路内のトランジスタの周波数応答特性に由来して回路特性が変化するのを抑制することができる。
【００３３】
請求項７の発明によれば、検出コイルと直列に接続される回路部品がインダクタン性を有する回路部品であり、通常状態の発振周波数（例えばＬＣ共振回路の発振周波数）におけるインピーダンスが小さいから、電圧降下を小さくでき、その結果、金属体の検出動作に与える影響を小さくできる。
【００３４】
請求項８の発明によれば、双方向クランプ回路を集積回路に内蔵することで、回路全体を小型化でき、また集積回路の内部で電圧がクランプされるから、集積回路の動作をより確実に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】（ａ）は実施形態１の概念的な回路図、（ｂ）は具体回路図である。
【図２】実施形態２の回路図である。
【図３】（ａ）は金属体の非検出時における各部の波形図、（ｂ）は金属体の検出時における各部の波形図、（ｃ）は金属体の検出時に外部から高周波電磁界が加えられた際の各部の波形図である。
【図４】実施形態３の回路図である。
【図５】従来の近接センサの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下に、本発明の技術思想を、パチンコなどの遊技機の入賞口に設置され、入賞口を通過する遊技球を検出するための近接センサに適用した実施形態について図面を参照して説明する。
【００３７】
（実施形態１）
図１（ａ）は本実施形態の近接センサの概念的な回路図であり、金属体との相対位置によってインピーダンスが変化する検出コイル１と、検出コイル１が接続されるコイル端子ｔａ，ｔｂを具備し、検出コイル１のインピーダンス値に応じて金属体の有無又は相対位置に関わる検出信号を生成する集積回路で実現された検出回路２と、検出コイル１の両端間に接続された双方向クランプ回路３とを主要な構成として備えている。
【００３８】
また、図１（ｂ）は高周波発振型の近接センサを示す具体回路図であり、上記の構成に加え、検出コイル１と並列に共振用のコンデンサ４が接続されており、検出コイル１とコンデンサ４とでＬＣ共振回路５が構成されている。
【００３９】
検出回路２は集積回路で実現されており、検出コイル１の両端が接続されるコイル端子ｔａ，ｔｂと、後述する帰還抵抗１６の一端が接続されるＳＥＴ端子ｔｃとを備える。コイル端子ｔａ，ｔｂ間には検出コイル１と共振用のコンデンサ４とが並列に接続され、検出コイル１とコンデンサ４とでＬＣ共振回路５が構成される。ＬＣ共振回路５の一端は検出回路２のコイル端子ｔｂに接続されており、検出回路２内の電源１９の低圧ラインＧＮＤに接続されている。尚、電源１９は外部から電源供給を受けて、所定電圧値の直流電圧Ｖccを生成する。
【００４０】
検出コイル１の両端間には、逆並列接続されたダイオード３ａ，３ｂからなる双方向クランプ回路３が接続されている。検出コイル１の両端間に発生する双方向の電圧がダイオード３ａ，３ｂの順方向電圧を超えると、ダイオード３ａ，３ｂがそれぞれ導通することによって、検出コイル１の両端間に発生する双方向の電圧がダイオード３ａ，３ｂの順方向電圧にそれぞれクランプされる。ここにおいて、逆並列接続とは、順方向電流の流れる向きが反対方向となるようにダイオードが並列接続された状態を言う。尚、静電気対策として、双方向クランプ回路３以外にコイル端子ｔａから電源１９の高圧ラインＶccの間、コイル端子ｔａから電源１９の低圧ラインＧＮＤの間にそれぞれクランプ素子を接続して、コイル端子ｔａの電圧レベルの上限値を検出回路２内の最高電位にクランプするとともに、下限値を検出回路２内の最低電位にクランプしてもよい。
【００４１】
検出回路２は、コイル端子ｔａを介してＬＣ共振回路５の他端にエミッタが接続されるとともにコレクタ−ベース間が短絡され、ＬＣ共振回路５の発振電圧の振幅をレベルシフトするレベルシフト用のｎｐｎ型トランジスタ１０と、トランジスタ１０のコレクタに一定電流を流す定電流源１５と、負性コンダクタンスを有しレベルシフトされた発振電圧に応じた帰還電流Ｉ１をＬＣ共振回路５に正帰還させる発振回路１４と、発振回路１４から出力される帰還電流Ｉ１を調節する帰還抵抗１６と、トランジスタ１０のベースに接続され、レベルシフトされた発振電圧に基づいて金属体の検知／非検知に応じた信号を発生する弁別回路２０とを備える。
【００４２】
発振回路１４は、ベース間及びエミッタ間がそれぞれ接続されてカレントミラー回路を構成し、各々のエミッタに電源電圧Ｖccが印加されるｐｎｐ型のトランジスタ１２，１３と、ベースがトランジスタ１０のベースに接続されるとともに、コレクタがトランジスタ１２のコレクタに接続され、エミッタが帰還抵抗１６に接続されてエミッタフォロワを構成するｎｐｎ型のトランジスタ１１とを備える。
【００４３】
次に、この近接センサの動作について説明する。ＬＣ共振回路５の両端には、検出コイル１のインダクタンス値とコンデンサ４の静電容量値とから決まる周波数の発振電圧が発生し、検出回路２のトランジスタ１３から帰還電流Ｉ１を正帰還することによって発振を持続させている。ＬＣ共振回路５の発振電圧は、トランジスタ１０のベース−エミッタ間電圧ＶＢＥだけ電圧レベルがシフトされてトランジスタ１１のベースに入力されており、トランジスタ１１のコレクタには、トランジスタ１１のエミッタ電位と帰還抵抗１６とに応じた電流が流れ、トランジスタ１２，１３からなるカレントミラー回路によりトランジスタ１１のコレクタ電流に応じた帰還電流Ｉ１がＬＣ共振回路５に正帰還されることになる。またトランジスタ１１はエミッタフォロワに構成されており、トランジスタ１１のエミッタ電圧、すなわち帰還抵抗１６の両端電圧に応じて帰還電流Ｉ１の電流値が制御されるのである。
【００４４】
ここで、検出コイル１に金属体（導電体）が接近すると、電磁誘導作用により渦電流損が生じて検出コイル１のインピーダンスが変化（コンダクタンスが増大）するため、ＬＣ共振回路５の発振電圧が小さくなり（発振停止も含む）、トランジスタ１０でレベルシフトされて弁別回路２０に入力される電圧の振幅も小さくなるので、弁別回路２０では、入力電圧の振幅、すなわちＬＣ共振回路５の発振振幅の大／小に応じて金属体の接近を検出することができる。
【００４５】
この近接センサは、例えばパチンコなどの遊技機の入賞口に設置され、入賞口を通過する遊技球を検出するために使用される。遊技球が入賞口を通過すると、検出コイル１のインピーダンスが変化して、ＬＣ共振回路５の発振が抑制されるので、ＬＣ共振回路５の発振出力の低下から遊技球の通過を検出することができる。
【００４６】
上述のように本実施形態では、検出回路２が、発振回路１４や弁別回路２０などの素子を同一の半導体チップ上に集積化した集積回路で実現されており、バイポーラＩＣのサブストレートはＰ型シリコンであり、通常は集積回路内の最低電位であるＧＮＤレベルに接続されているので、サブストレートからｎｐｎ型トランジスタ１０，１１のコレクタには、図１（ｂ）中に破線で示すような寄生ダイオード１７，１８が存在することになる。したがって、ＬＣ共振回路５が接続されるコイル端子ｔａの電圧レベルが（−２ＶＦ）以下になると（但し、ＶＦはＰＮ接合の順方向電圧である）、寄生ダイオード１７，１８が導通してしまい、検出回路２の動作が不安定になる可能性がある。
【００４７】
しかしながら、本実施形態では検出コイル１の両端間に双方向クランプ回路３が接続されており、コイル端子ｔａの電圧レベルが（＋ＶＦ）を超えるとダイオード３ｂが導通することで、上限値が（＋ＶＦ）にクランプされ、またコイル端子ｔａの電圧レベルが（−ＶＦ）を下回るとダイオード３ａが導通することで、下限値が（−ＶＦ）にクランプされる。
【００４８】
したがって、外部電磁界と検出コイル１との間に強い磁気結合が生じて、検出コイル１に電磁誘導電圧が誘起された場合でも、コイル端子ｔａの電圧レベルは±ＶＦ以内に抑制されることになり、クランプ電圧を超える電圧が検出コイル１の両端間に発生するのを抑制することができる。よって、検出コイル１が接続されるコイル端子ｔａの電圧レベルが正負何れの側でもクランプ電圧を超えるのを抑制でき、また検出回路２の内部で電源１９が一定電圧を生成する場合でも電磁誘導電圧によって電源電圧が異常値となることがないから、検出回路２の動作が不安定になったり、誤検出が発生する可能性を低減することができる。なお、誘導される電圧が非常に高い周波数である場合や誘起される電力が非常に大きい場合にはクランプレベルも多少大きくなると予想されるが、±２ＶＦにまで増加することはないと考えられるので、検出回路２の誤動作を確実に防止することができる。
【００４９】
また、従来の近接センサのように外部から照射される電磁波を検出するための電波検出回路を設けなくても、外部電磁界による誤検出を防止できるから、電波検出回路が不要であり、近接センサの回路構成を簡単にできるという効果がある。なお、従来技術で説明した特許文献１の振幅制限回路４１は、ＬＣ共振回路５の発振振幅の抑制には有効であるが、電磁誘導作用はＬＣ共振回路５の発振動作とは別の原理で発生するため、外部電磁界との電磁誘導により検出コイル１の両端間に誘起される電圧を抑制することはできなかった。
【００５０】
また、双方向クランプ回路３による双方向のクランプ電圧が異なっている場合、検出コイル１に発生する電圧が、電圧値の大きい一方のクランプ電圧までスイングすると、逆方向に電圧スイングする際に他方のクランプ電圧を超えて電圧スイングする可能性があるが、上述の双方向クランプ回路３では、双方向のクランプ電圧を同じ電圧値としているので、検出コイル１に発生する電圧が、電圧値の大きい側のクランプ電圧までスイングすることによって、逆方向にスイングする際にクランプ電圧を超えて電圧スイングするのを防止することができる。
【００５１】
また更に、上述の双方向クランプ回路３は、逆並列接続されたダイオード３ａ，３ｂで構成されているので、双方向のクランプ電圧をダイオード３ａ，３ｂの順方向電圧に設定することができ、したがってコイル端子ｔａの負電位側の電圧レベルを、ＰＮ接合（検出回路２の内部に形成される寄生ダイオード１７，１８など）が導通しない程度の電圧レベルに抑制することができる。
【００５２】
また本実施形態では、検出コイル１に共振用のコンデンサ４が並列接続されてＬＣ共振回路５を構成しているので、高周波発振型の近接スイッチとして動作させることができる。しかも、ＬＣ共振回路５の発振振幅は双方向クランプ回路３によって制限されるので、ＬＣ共振回路５の発振電圧のピーク値が所定値を超えると発振電圧の増大を抑制する振幅制限回路を別途備える必要が無い。また振幅制限回路を備えた場合には電磁誘導時に発振電圧のピーク値が増加すると発振動作を抑制するような動作も発生するが、この近接センサでは振幅制限回路を備えておらず、検出コイル１の両端電圧がクランプレベルになると、発振回路１４の負性コンダクタンスが下がり、結果的に発振振幅がクランプレベルよりも僅かに小さい値に落ち着くので、振幅制限回路を備えた場合のように電磁誘導時に発振振幅を抑制するような動作が行われることはない。また近接スイッチの検出特性は、検出コイル１のコンダクタンスと発振回路１４の負性コンダクタンスの絶対値との大小関係のみで決まるから、双方向クランプ回路３によって検出コイル１の両端電圧の振幅を制限したとしても、検出特性に悪影響を与えることはないという利点もある。
【００５３】
（実施形態２）
本発明の実施形態２を図２及び図３に基づいて説明する。実施形態１の近接センサでは、弁別回路２０がトランジスタ１０のベースに接続され、検出コイル１の発振電圧をトランジスタ１０のベース−エミッタ間電圧だけレベルシフトした電圧に基づいて、金属体の検知／非検知状態に応じた信号を発生しているのに対して、本実施形態では、トランジスタ１１のベース電圧を所定のシフト電圧だけ正電位側にレベルシフトするレベルシフト回路２４を設け、レベルシフト回路２４によってレベルシフトされた電圧に基づいて、弁別回路２０が金属体の検知／非検知状態に応じた信号を発生している。尚、弁別回路２０及びレベルシフト回路２４以外の構成は実施形態１と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００５４】
弁別回路２０は、レベルシフト回路２４によってレベルシフトされた電圧と、定電圧源２２のしきい値電圧Ｖthとの高低を比較するコンパレータ２１と、コンパレータ２１の出力を積分する積分回路２３とを備えている。ここで、しきい値電圧Ｖthは、トランジスタのベース−エミッタ間電圧とレベルシフト回路２４によるシフト電圧との和の電圧よりも高い電圧に設定されており、弁別回路２０では、検出コイル１の両端間に発生する発振電圧の正側の振幅と、所定のしきい値電圧Ｖthとの高低を比較している。
【００５５】
ここで、近接スイッチによる金属体の検出動作について図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。尚、図３中のＶＬＣはコイル端子ｔａの電圧、すなわち検出コイル１の両端電圧であり、ＶＳはレベルシフト回路２４によってトランジスタ１０のベース電圧（コイル端子ｔａの電圧にほぼ同じ）を所定のシフト電圧だけレベルシフトさせた後の電圧である。
【００５６】
図３（ａ）は、金属体の非検出時における電圧ＶＬＣと電圧ＶＳの波形図であり、電圧ＶＬＣ及び電圧ＶＳの周期はＬＣ共振回路５の発振周波数となる。この場合、強力な電磁波の照射や環境ノイズによって検出コイル１に高周波の電磁誘導電圧が誘起されたとしても、双方向クランプ回路３のクランプ動作によってコイル端子ｔａの電圧レベルが抑制されるから、検出回路２を構成する集積回路の動作が不安定になることはなく、ＬＣ共振回路５は発振を継続し、ＬＣ共振回路５の発振動作によって電圧ＶＬＣ、電圧ＶＳともに略同じ波形を保つことができる。この時、電圧ＶＳがしきい値電圧Ｖthを上回る期間は、コンパレータ２１の出力がＨレベルとなり、コンパレータ２１の出力を積分回路２３が積分することによって、コンパレータ２１の出力が平滑化されるから、弁別回路２０の出力はＨレベルとなる。
【００５７】
また、図３（ｂ）は、外部より電波が照射されておらず検出コイル１に電磁誘導電圧が誘起されていない状態で金属体を検出した場合の電圧ＶＬＣと電圧ＶＳの波形図であり、検出コイル１に金属体が接近すると、電磁誘導作用により渦電流損が生じて検出コイル１のインピーダンスが変化（コンダクタンスが増大）するため、ＬＣ共振回路５の発振電圧、すなわち電圧ＶＬＣが小さくなる。図３（ｂ）では発振停止した状態を示している。このとき、レベルシフト回路２４でレベルシフトされた電圧ＶＳも小さくなり、上記のしきい値電圧Ｖthを下回るから、コンパレータ２１の出力、積分回路２３の出力は共にＬレベルとなる。すなわち、弁別回路２０の出力電圧レベルは、金属体の非検知時にはＨレベルとなり、金属体の検知時にはＬレベルとなる。
【００５８】
一方、図３（ｃ）は、強力な電磁波の照射や環境ノイズによって検出コイル１に高周波の電磁誘導電圧が誘起された状態で、金属体を検出した場合の電圧ＶＬＣと電圧ＶＳの波形図であり、検出コイル１に金属体が接近することでＬＣ共振回路５の発振動作は停止しているので、電圧ＶＬＣは電磁誘導により誘起された電圧成分のみとなり、その周波数は電磁誘導の周波数となる。このとき、ｎｐｎ型トランジスタ１０は、電圧ＶＬＣの負側にはよく追従することができるが、高周波の電圧波形の場合には正側への応答が遅れるため、電圧ＶＳは、電磁誘導電圧が誘起されていない場合の電圧値よりも小さい電圧値となる。そのため、電圧ＶＳはしきい値電圧Ｖthよりも低い電圧となり、弁別回路２０の出力はＬレベルのままであるから、誤検出を防止することができる。
【００５９】
このように、本実施形態では、検出コイル１に共振用のコンデンサ４が並列接続されてＬＣ共振回路５を構成しているので、高周波発振型の近接スイッチとして動作させることができる。しかも、ＬＣ共振回路５の発振振幅は双方向クランプ回路３によって制限されるので、ＬＣ共振回路５の発振電圧のピーク値が所定値を超えると発振電圧の増大を抑制する振幅制限回路を別途備える必要が無い。また振幅制限回路を備えた場合には電磁誘導時に発振電圧のピーク値が増加すると発振動作を抑制するような動作も発生するが、この近接センサでは振幅制限回路を備えておらず、検出コイル１の両端電圧がクランプレベルになると、発振回路１４の負性コンダクタンスが下がり、結果的に発振振幅がクランプレベルよりも僅かに小さい値に落ち着くので、振幅制限回路を備えた場合のように電磁誘導時に発振振幅を抑制するような動作が行われることはない。また近接スイッチの検出特性は、検出コイル１のコンダクタンスと発振回路１４の負性コンダクタンスの絶対値との大小関係のみで決まるから、双方向クランプ回路３によって検出コイル１の両端電圧の振幅を制限したとしても、検出特性に悪影響を与えることはないという利点もある。
【００６０】
また、高周波の外部電磁界と検出コイル１との電磁誘導が存在する場合、検出回路２内のトランジスタの周波数応答特性に由来して弁別点の電位は負電位側にずれることになるが、本実施形態では、検出コイル１の両端電圧をレベルシフト回路２４により正電位側にレベルシフトさせた電圧と、しきい値電圧Ｖthとの高低を比較することによって検知／非検知の判定を行っており、検出コイル１の両端間に発生する電圧の正電位側の振幅をもとに発振状態を弁別しているので、外部電磁界が存在する場合でも弁別回路２０の誤検出を防止できる。また金属体の非検出時には電磁誘導が存在する場合でも、誘導電圧がクランプ電圧以下であるため集積回路を含む検出回路２の動作は不安定化せず、ＬＣ共振回路５は通常通り発振を継続するので、弁別回路２０により発振状態を弁別することができ、金属体を誤検出することがない。
【００６１】
尚、本実施形態ではＬＣ共振回路５の一端が電源１９の低圧側端とともにグランドに接続されているが、実施形態１と同様に、検出回路２が備えるコイル端子ｔａ，ｔｂ間にＬＣ共振回路５と双方向クランプ回路３とが接続されるようにしてもよい。
【００６２】
（実施形態３）
本発明の実施形態３を図４に基づいて説明する。上述した実施形態２の近接センサでは、検出回路２の入力端子に検出コイル１を直接接続しているのに対して、本実施形態では、図４に示すように検出コイル１と検出回路２との間に低域通過フィルタ８を接続してある。尚、低域通過フィルタ８以外の構成は実施形態２と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００６３】
低域通過フィルタ８は、検出コイル１の両端と検出回路２のコイル端子ｔａ，ｔｂとの間にそれぞれ接続されたコイル６，６と、コイル端子ｔａ，ｔｂ間に接続されたコンデンサ７とで構成される。尚、低域通過フィルタ８は従来周知の回路構成を有しているので、その説明は省略する。
【００６４】
この近接センサにおいても、実施形態２と同様に検出コイル１の両端間に双方向クランプ回路３が接続されているので、検出コイル１の両端電圧をクランプ電圧以下に制限することができる。
【００６５】
ところで、強力な電磁波の照射や環境ノイズによって検出コイル１に高周波の電磁誘導電圧が誘起される場合に、電磁誘導周波数がトランジスタ１０の追従可能な周波数よりも十分高ければ、電磁誘導により生じた電圧によって電圧ＶＳが負電位側にシフトする可能性があり、この場合には金属体が存在しないにも関わらず、レベルシフト回路２４によってレベルシフトされた電圧ＶＳが負電位側へとシフトすることで、金属体が存在すると誤判定する可能性がある。また、電磁誘導周波数がトランジスタ１０の追従可能な周波数以下であれば、金属体が接近することでＬＣ共振回路５の発振が停止した場合でも、電磁誘導により検出コイル１に電圧が誘起され、この電圧の正電位側の振幅を検出することで、金属体が存在しないと誤判定する可能性がある。
【００６６】
このような誤検出を防止するため、本実施形態では検出コイル１と検出回路２との間に低域通過フィルタ８が設けられており、検出コイル１の両端電圧は、双方向クランプ回路３により一旦クランプ電圧以下に抑制されてから、低域通過フィルタ８により高周波の信号成分が減衰されるので、検出回路２に入力される高周波電圧成分は小さく、検出回路２内のトランジスタなどの周波数特性に由来する上記の不都合な回路動作を抑制することができる。
【００６７】
上述のように、双方向クランプ回路３と低域通過フィルタ８とを併用することで、抑制できる電磁誘導電圧の電圧レベルや周波数帯域が広がるから、検出回路２を構成する集積回路の動作が安定し、集積回路を設計するにあたって選択可能なＩＣプロセスの自由度が向上するという利点がある。
【００６８】
また低域通過フィルタ８の、検出コイル１と直列に接続される回路部品が、インダクタンス性を有する回路部品であるので、通常状態の発振周波数（例えばＬＣ共振回路５の発振周波数）におけるインピーダンスが小さくなり、したがって電圧降下が小さくなるから、金属体の検出動作に与える影響を小さくできる。
【００６９】
尚、低域通過フィルタ８の構成は、図４に示す構成のものに限定されるものではなく、低域通過フィルタ８を構成するコンデンサを、共振用のコンデンサと共用してもよい。また、低域通過フィルタ８に用いられるコイル６は、所謂インダクタに限定されるものではなく、フェライトビーズのようなインダクタンス性を有する回路部品であればよい。
【００７０】
また本実施形態では、実施形態２で説明した近接センサに低域通過フィルタ８を追加した形態を例に説明を行ったが、実施形態１で説明した近接センサにおいて、検出コイル１と検出回路２との間に低域通過フィルタ８を設けてもよく、上述と同様の効果が得られる。
【００７１】
また上述の各実施形態では、双方向クランプ回路３を構成するダイオード３ａ，３ｂが、検出回路２を構成する集積回路の外部に設けられているが、双方向クランプ回路３を構成する素子を、検出回路２を構成する集積回路に内蔵させてもよく、回路全体を小型化でき、また集積回路の内部で検出コイル１の両端電圧がクランプされるから、集積回路の動作をより確実に保護することができる。
【００７２】
また上述の各実施形態では、遊技機の入賞口を通過する遊技球を検出する近接センサを例に説明を行ったが、金属との相対位置によってインピーダンスが変化する検出コイルを備えて、検出コイルのインピーダンスから金属の有無又は相対位置に関わる検出信号を生成するような検出回路の一部を集積回路で構成した近接センサであれば本発明を適用でき、例えば検出コイルに所定の交流電流を与えて、検出コイルのコイル振幅や周波数を測定することで金属体を検出するセンサでもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１  検出コイル
２  検出回路
３  双方向クランプ回路
３ａ，３ｂ  ダイオード
４  コンデンサ
５  ＬＣ共振回路
１４  発振回路
２０  弁別回路
【図１】
2010286322.tif 000003
【図２】
2010286322.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010286322.tif 000006
【図５】
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