JP2008039394A

JP2008039394A - 金属検知装置の電磁誘導センサ

Info

Publication number: JP2008039394A
Application number: JP2004344964A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hoshikawa; 洋星川; Kiyoshi Koyama; 潔小山
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2008-02-21
Also published as: WO2006057409A1

Abstract

【課題】金属片検知装置の金属片検知センサにおいて、被検査物に金属片が混入しているときのみ、金属片検知信号を発生する電磁誘導センサを提供すること。
【解決手段】電磁誘導センサは、励磁コイル２１と検出コイル２２からなり、両コイルは、コイル面が直交するように配置してある。電磁誘導センサは、被検査物３１に対して、励磁コイル２１のコイル面が垂直になり、検出コイル２２のコイル面が並行になるように上置してある。励磁コイル２１は、被検査物３１に一様磁界を発生する。したがって検出コイル２２には、被検査物３１に金属片が混入しているときのみ、金属片検知信号を発生する
【選択図】図１

Description

本願発明は、食品、工業材料、衣服、郵便物等に混入或いは潜在する金属片の検知装置、地雷検知装置等に使用する電磁誘導センサに関する。

従来食品、工業材料等に混入する金属片の検知装置には、電磁センサが使用されている。
図７により従来の電磁センサを説明する（例えば特許文献１参照）。
図７は、被検査物の上に配置した電磁センサを示し、図７（ａ）は、平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＸ１部分の矢印方向の断面図、図７（ｃ）は、電磁センサの裏面の平面図である。
図７において、１１は、電磁センサ、１３は、被検査物１２を搬送するベルトコンベアのベルトである。電磁センサ１１は、断面がＥ文字状の鉄心１１１にセンサーコイル１１２を巻き、中央に永久磁石１１３を取り付けてある。電磁センサ１１のセンサーコイル１１２は、交流電源（図示せず）と検出回路（図示せず）に接続されている。被検査物１２は、ベルト１３によってＸ２方向へ搬送され、電磁センサ１１の下を通って移動する。
センサーコイル１１２に交流電源を接続すると、センサーコイル１１２に交流電流が流れて交番磁界を発生し、センサーコイル１１２の磁束は、ベルト１３を含む磁路を通過する。被検査物１２に金属片が混入しているときは、被検査物１２が、図７のように電磁センサ１１の下に移動すると、センサーコイル１１２の磁路の磁気特性が変わるため、センサーコイル１１２の交流電流の振幅が変化する。その振幅の変化分を検出回路で抽出して、被検査物１２に混入している金属片を検知する。

特開２００４−８５４３９号公報

図７の従来の電磁センサ１１は、１個のセンサーコイル１１２を励磁コイルと検出コイルに使用しているから、検出コイル（センサーコイル１１２）には、被検査物１２に金属片が混入していないときも電流が流れている。即ち金属片が混入していないときも、検出コイルに検出信号が発生する。したがって金属片を検知するには、金属片が混入していないときの検出信号と金属片が混入しているときの検出信号から、両検出信号の振幅差を金属片検知信号として抽出しなければならない。そのため金属片検知信号の抽出には、ブリッジ回路（平衡回路）等からなる複雑な回路を用いて、複雑な信号処理を行わなければならないから、金属片の検知装置が複雑になる。また被検査物１２とセンサーコイル１１２の距離（間隔）が大きくなると、前記両検出信号は小さくなり、両検出信号の振幅差も小さくなるから、金属片の検出精度や検出感度が低下する。

また従来の電磁センサは、被検査物１２に金属片が混入している場合、センサーコイル１１２と被検査物１２の間隔（距離）が変化すると検出コイルの電流も変化するため、その変化は、金属片検知信号に影響し、金属片の検出精度や検出感度を低下させる。センサーコイル１１２と被検査物１２の間隔（距離）の変化は、センサーコイル１１２の位置の上下動や被検査物１２に混入する金属片の位置の相違（例えば、金属片が被検査物１２のセンサーコイル１１２に近い位置にあるか、遠い位置にあるかの相違）によって起きる。
本願発明は、従来の磁気センサの前記問題点を解決するため、被検査物に金属片が混入しているときにのみ検出コイルに検出信号を発生する（金属検知信号を発生する）電磁誘導センサを提供することを目的とする。

本願発明は、その目的を達成するため、請求項１に記載の金属検知装置の電磁誘導センサは、励磁コイルと検出コイルを両コイルのコイル面が交差するように配置し、検出コイルのコイル面を被検査物に並行に配置してあることを特徴とする。
請求項２に記載の金属検知装置の電磁誘導センサは、請求項１に記載の金属検知装置の電磁誘導センサにおいて、前記検出コイルは複数個の検出コイルを並置してなることを特徴とする。
請求項３に記載の金属検知方法は、励磁コイルと検出コイルを両コイルのコイル面が交差するように配置した電磁誘導センサの検出コイルのコイル面が被検査物と並行するように、電磁誘導センサ又は被検査物を移動して被検査物の金属片を検知することを特徴とする。
請求項４記載の金属検知方法は、請求項３に記載の金属検知方法において、前記検出コイルは複数個の検出を並置してなることを特徴とする。

本願発明の電磁誘導センサの検出コイルには、被検査物に金属片が混入しているときにのみ、検出信号が発生し（即ち金属片検知信号が発生し）、金属片が混入していないときは、検出信号を発生しないから、例え金属片検知信号の振幅が小さいときにも金属片を確実に検知できる。したがって従来の金属片検地センサよりも高精度、高感度で金属片を検知できる。また本願発明の電磁誘導センサを用いた金属検知装置は、金属片検知信号の抽出が容易になるから、金属片検知信号の抽出回路を簡単に構成できる。

本願発明の電磁誘導センサの金属片検知信号は、金属片の寸法によって振幅の大きさが異なるから、金属片の種類（材質）が同じ場合には、金属片検知信号の振幅の大小によって金属片の大きさを推定することができる。また金属片検出信号の位相は、金属片の寸法に関係なく、金属片の種類（材質）によって決まるから、金属片検出信号の位相によって金属片の種類（材質）を推定することができる。
本願発明の電磁誘導センサは、電磁誘導センサと金属片の距離（間隔）が変化して金属片検出信号の振幅が変動しても、その振幅の変動は、金属片有無の判別に関係しないから、その金属片検出信号の振幅の変動によって金属片有無の判別を誤ることがない。

図１〜図６により本願発明の実施例を説明する。なお各図に共通の部分は、同じ符号を使用している。
図１は、被検査物の上に配置した電磁誘導センサを示す。図１（ａ）は、平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＹ２方向の側面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＹ１部分の矢印方向の断面図である。
図１において、２１は、電磁誘導センサの励磁コイル、２２は、電磁誘導センサの検出コイル、３１は、被検査物である。
励磁コイル２１は、矩形状（四角形状）のコイルであり、検出コイル２２は、パンケーキ状（ドーナツ状）のコイルである。電磁誘導センサは、励磁コイル２１と検出コイル２２からなり、励磁コイル２１と検出コイル２２は、夫々のコイルのコイル面が直交する（交差する）ように配置し、励磁コイル２１は、そのコイル面が被検査物３１と直交するように設置してある。したがって検出コイル２２のコイル面は、被検査物と平行になる。
ここでコイル面は、コイルの中心軸と直交する面（巻線に囲まれた開口面）である。以下本願において同様である。

図２は、励磁コイル２１が発生する磁束の方向、及び被検査物中の金属片と検出コイルの位置関係を説明する図である。
励磁コイル２１に電流を流すと、図２（ａ）のように、励磁コイル２１は、その巻線方向と直交する方向（コイル面と直交する方向）に一様磁界を発生し、平行で方向が同じ磁束Ｍｆを発生する。検出コイル２２は、図２（ｂ）のように、一様磁界に置かれているから、磁束Ｍｆにより起電力が誘導される。その際検出コイル２２は、そのコイルの磁束Ｍｆと平行な中心線Ｙ３の両側の部分２２ｌ、２２ｒは、左右対称であるから、図２（ｂ）のように被検査物３１に金属片３２が混入していないときには、検出コイル２２の左側の部分２２ｌに誘導する起電力と右側の部分２２ｒに誘導する起電力は、大きさが同じで方向が逆になる。したがって左側の部分２２ｌに誘導する起電力と右側の部分２２ｒに誘導する起電力は、打消し合い、検出コイル２２には、検出信号は発生しない。即ち一様な磁界中に金属片が存在しないときは、検出コイル２２には、検出信号は発生しない。

他方被検査物３１に金属片が混入しているとき、例えば、図２（ｃ）のように、被検査物３１に金属片３２が混入しているときには、金属片３２には、磁束Ｍｆによって渦電流ｉが発生する。そのため、金属片３２近傍の空間磁界は、渦電流ｉが発生する磁界の影響を受けて、一様磁界に乱れを生じる。なお渦電流ｉは、金属片３２の前端部分３２ａと後端部分３２ｂとで逆方向に流れる。

図２（ｃ）の場合、検出コイル２２は、金属片３２から離れた位置にあるため、金属片３２の近傍の空間磁界が乱れてもその影響は受けない。即ち検出コイル２２には、検出信号は発生しない。次に電磁誘導センサを、被検査物３１に対して矢印Ｙ４方向へ移動して、図２（ｄ）のように、検出コイル２２が金属片３２の前端部分３２ａまで進むと、検出コイル２２は、渦電流ｉの発生する磁界の影響を受けるから、起電力が誘導される。即ち検出コイル２２には、金属片検知信号が発生する。検出コイル２２がさらに進み、図２（ｅ）のように、金属片３２の真上まで進むと、検出コイル２２は、金属片３２の前端部分３２ａと後端部分３２ｂの渦電流ｉが発生する磁界の影響を受ける。その際、前端部分３２ａと後端部分３２ｂの渦電流ｉの方向は逆であるから、検出コイル２２には、検出信号は発生しない。検出コイル２２が図２（ｆ）の位置まで進むと、検出コイル２２は、金属片３２の後端部分３２ｂの渦電流ｉが発生する磁界の影響を受けるから、検出コイル２２には、起電力が誘導される。即ち検出コイル２２には、金属片検知信号が発生する。その場合、金属片検知信号は、図２（ｄ）の金属片検知信号と極性が逆になる。

以上のように図１の電磁誘導センサの検出コイル２２には、被検査物３１に金属片３２が混入しているときのみ、金属片検知信号が発生し、金属片３２が混入していないときには検出信号が発生しない。即ち検出コイル２２の検出信号＝金属片検知信号となる。したがって図１の電磁誘導センサは、従来の電磁センサのように、金属片３２が混入していないときの検出信号と金属片３２が混入しているときの検出信号との振幅差を抽出して金属片検知信号を抽出する必要がない。また図１の電磁誘導センサは、被検査物３１に金属片３２が混入しているときのみ金属片検知信号を発生するから、検出コイル２２と金属片３２の距離（間隔）が変化して金属片検知信号の振幅が変動しても、その振幅の変動は、金属片有無の検出に関係しないから、金属片有無の判別を誤ることがない。
図２は、電磁誘導センサを矢印Ｙ４方向へ移動する例について説明したが、電磁誘導センサを移動する代わりに被検査物３１を移動させてもよい。

ここで、図１の電磁誘導センサの試験結果について説明する。
電磁誘導センサの試験は、金属片上に図１の電磁誘導センサを設置し、励磁コイル２１へ高周波信号を印加し、電磁誘導センサを移動して、検出コイル２２に誘導された電圧を測定した。なお金属片がないときは、検出コイル２２に電圧は誘導されなかった。
図５は、検出コイル２２に誘導した電圧を示す。図５において、横軸は、検出コイルに誘導した電圧の同相成分（励磁電流と同相の成分）を示し、縦軸は、９０度進相成分（励磁電流と９０度進相成分）を示す。なお図５は、正規化した電圧を示す。

金属片は、図６のボルト（図６(ａ)）、クリップ（図６(ｂ)）、ホッチキス針（図６(ｃ)）を用いた。クリップとホッチキス針は、略同じ種類（材料）であるが、ボルトは、それらと種類（材料）が異なる。
励磁コイル２１の寸法は、長さ（被検査物に対向する部分のコイルの中心軸と直交する方向の寸法）１６０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、幅（被検査物に対向する部分のコイルの中心軸と平行する方向の寸法）１５０ｍｍであり、検出コイル２２の寸法は、外径７０ｍｍ、巻幅１０ｍｍ、巻厚１ｍｍである。
ボルト等の寸法は、ボルトが長さ５０ｍｍ、頭部径１６ｍｍ、ネジ部径１０ｍｍ、クリップ（イ）が長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍ、クリップ（ロ）が長さ２８ｍｍ、幅８ｍｍ、クリップ（ハ）が長さ２１ｍｍ、幅５ｍｍ、ホッチキス針が長さ９ｍｍ、幅１ｍｍである。

図５（ａ）は、ボルトの金属片検知信号とクリップ（イ）の金属片検知信号を示す。ボルトの金属片検知信号とクリップ（イ）の金属片検知信号は、振幅が相違するとともに、位相も相違している。
図５（ｂ）は、クリップ（イ）〜(ハ)の金属片検知信号を示す。クリップ（イ）〜(ハ)の金属片検知信号は、クリップの寸法が小さくなるほど、振幅は小さくなるが、位相は同じである。即ち金属片の寸法が変わると、金属片検知信号の振幅は変わるが、位相は変わらない。

図５（ｃ）は、ホッチキス針の金属片検知信号を示す。ホッチキス針の場合には、金属片検知信号の振幅は小さくなるが、ボルトやクリップと同様に高感度で検出できる。なお位相は、クリップと同じになる。
図５の試験結果によると、検出コイルは、金属片があるときのみ金属片検知信号を発生するから、振幅が小さいときも金属片を確実に検知することができる。また金属片検知信号の振幅は、金属片の寸法によって変わるが、位相は、変わらない（同じである）ことが分かる。そして金属片検知信号の位相は、金属片の種類（材質）によって変わることが分かる。このことから、金属片の種類（材質）が同じ場合には、金属片検知信号の振幅の大小により金属片の大きさを推定することができ、金属片検知信号の位相によって金属片の種類（材質）を推定することができる。

次に図３により検出コイルの巻線方向と検出コイルの形状について説明する。
図３（ａ）の励磁コイル２１の巻線は、図１の励磁コイル２１と同じように、電磁誘導センサの移動方向Ｙ４と直交する方向に巻いてある。また図３（ｂ）の励磁コイル２１の巻線は、電磁誘導センサの移動方向Ｙ４と平行する方向に巻いてある。金属片検知信号は、被検査物に混入する金属片の形状や方向によって相違することがあるから、図３（ａ）の電磁誘導センサと図３(ｂ)の電磁誘導センサを組み合わせて（並置して）使用すると、より安定した金属片検知信号を得ることができる。
検出コイル２２は、パンケーキ状の外、図３（ｃ）のように矩形（四角形）状であってもよい。

図４は、被検査物の広い範囲を一度に検査できる電磁誘導センサの例を示す。
図４（ａ）の電磁誘導センサは、検出コイル２２の巻線方向に複数個のパンケーキ状の検出コイル２２を並置してある。図４（ａ）の電磁誘導センサは、被検査物３１の全幅の広い範囲を一度に検査でき、また金属片検知信号が検出された検出コイル２２によって金属片が混入している位置を判別することができる。図４（ｂ）の電磁誘導センサは、図４（ａ）の複数個の検出コイル２２に代えて、１個の長い矩形状の検出コイル２２を用いた例である。図４（ｂ）の電磁誘導センサは、１個の検出コイルで被検査物の広い範囲を検査できるが、金属片の位置の判別はできない。
図４（ｃ）の電磁誘導センサは、図４（ａ）の電磁誘導センサと励磁コイルの巻線の方向が異なる外は図４（ａ）の電磁誘導センサと同じである。

本願発明の実施例に係る電磁誘導センサの平面図、側面図及び断面図である。図１の電磁誘導センサの励磁コイルが発生する磁束の方向、及び被検査物中の金属片と検出コイルの位置関係を説明する図である。図１の電磁誘導センサの励磁コイルの巻線の方向を変えた例と検出コイルの形状を変えた例を示す。図１の電磁誘導センサの変形例で、一度に広範囲の検査が可能な電磁誘導センサを示す。図１の電磁誘導センサの試験結果を示す。図５の試験に用いた金属片の形状を示す。従来の電磁センサの平面図、側面図及び断面図である。

符号の説明

２１電磁誘導センサの励磁コイル
２２電磁誘導センサの検出コイル
２２ｌ検出コイル２２の左側の部分
２２ｒ検出コイル２２の右側の部分
３１被検査物
３２被検査物に混入している金属片
３２ａ金属片３２の前端部分
３２ｂ金属片３２の後端部分
Ｍｆ励磁コイル２１が発生する磁束
ｉ渦電流

Claims

励磁コイルと検出コイルを両コイルのコイル面が交差するように配置し、検出コイルのコイル面を被検査物に並行に配置してあることを特徴とする金属検知装置の電磁誘導センサ。
請求項１に記載の金属検知装置の電磁誘導センサにおいて、前記検出コイルは複数個の検出コイルを並置してなることを特徴とする金属検知装置の電磁誘導センサ。
励磁コイルと検出コイルを両コイルのコイル面が交差するように配置した電磁誘導センサの検出コイルのコイル面が被検査物と並行するように、電磁誘導センサ又は被検査物を移動して被検査物の金属片を検知することを特徴とする金属検知方法。
請求項３に記載の金属検知方法において、前記検出コイルは複数個の検出を並置してなることを特徴とする金属検知方法。