JP2008026141A - 不良物品の電磁的検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】食品等の物品の製造工程において磁性異物の侵入があった不良物品を充分に小型の磁気インピーダンス効果センサーで高感度にて検出する。
【解決手段】所定の移送路ａに沿って移送中の物品に対し、磁化異物を含有した不良品を検出する方法であり、前記移送路ａの途中に移送方向に所定の間隔Ｌを隔てて磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂを配設し、両磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂの差出力で不良製品を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は食品等の物品の製造工程において磁性異物の侵入があった不良物品を磁気インピーダンス効果センサーを用いて検出する方法に関し、例えばパック式のお茶等のパック飲料の製造過程において、ベアリング、ボルト・ナット、ネジ等が侵入した不良品を検出したり、枝肉の加工処理過程において、枝肉に残留している折損注射針を検出するのに好適に使用される。

パック式飲料水の製造におけるコンベヤラインでは、容器に内容物を充填したのち閉封するまでの間に、製造装置の部品、例えば、ベアリング、ボルト・ナット、ネジや機械部品の破片等の異物侵入の事例が報告されている。
また、食肉加工では、家畜の予防や治療のために行なわれた注射の針が折損残留し、その折損残留針がと畜処理や解体時に見つかった事例も報告されている。
従来、前記異物が侵入した不良製品の検出には、渦流方式の金属探知機が使用されている。
この方式では、移送路を挾んで送信コイルと一対の受信コイルとを配設し、この一対の受振コイルを差動的に接続している。従って、金属異物の侵入のない正常な製品の走行に対しては両受信コイルの出力が同じとなってその差動出力が０となる。他方、金属異物が侵入した不良製品の走行に対しては、金属異物に流れる渦電流のために貫通磁束が金属異物の通過位置変位に伴い変化し、その結果一対の受信コイルの差動出力が変化する。この差動出力の変化から不良製品が通過することを検出し、この不良製品をコンベヤラインから排除している。
しかしながら、この渦流方式金属探知法の使用では、容器が金属複合タイプの場合、例えばアルミ蒸着紙容器やアルミ箔ラミネート紙容器の場合、アルミが導電性であって渦電流が流れ、アルミ蒸着膜やアルミ箔によっても貫通磁束が変化するので。高精度の金属異物検出は困難である。

前記した物品の製造工程中に物品内に侵入する金属異物は、製造装置の部品であるベアリング、ボルト・ナットやネジ等であって鉄若しくはフェライト系ステンレスであり、磁性金属であって加工歪や使用中の歪や地磁気のために相当に磁化されている。磁性の弱いオーステナイト系ステンレス部品であっても、破片では厳しい塑性変形のためにある程度磁化されている。

そこで、前記製品中の金属異物を磁化物としてとらえて磁気的に検出することが考えられる。
従来、コンベヤラインで移送中の物品に対し磁化異物を検出するのに、移送方向と直交する方向に間隔を隔てて２個の磁気インピーダンス効果素子を配設し、これらの磁気インピーダンス効果素子の検出出力を差動増幅し、この差出力を検出出力とすることが知られている（特許文献１）。この検出方法によれば、容器が非磁性である以上、その容器に対する磁気インピーダンス効果センサーの応答がなく、容器がアルミ複合構造等の導電性であっても問題はない。
また、枝肉に残留している折損注射針を検出するのに、間隔を隔てて配設された２個の磁気インピーダンス効果素子を有し、これらの磁気インピーダンス効果素子の出力の差を検出出力とする差動式磁気インピーダンス効果センサーを、枝肉の表面に沿い前記２個の磁気インピーダンス効果素子を結ぶ直線に直交する方向にスキャニングさせることも知られている（特許文献２）。
特開２００６−９８１１７号公報 特開２００６−７１３４７号公報

上記において磁気インピーダンス効果に差動式のものを使用するのは、外部ノイズを打ち消すことにある。すなわち、地磁気等の外部ノイズは、両磁気インピーダンス効果素子に実質的に同一に作用し、その差出力が零になる。

前記磁化異物によって各磁気インピーダンス効果素子に作用する磁界については、磁化異物が磁気インピーダンス効果素子の直上に位置するときに最大となり、両磁気インピーダンス効果素子におけるその位置が物品の移送方向に対し同位相であるから、各磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂに作用する磁界Ｈａ、Ｈｂは大きさが異なっても同位相である。
検出感度上、その差出力ｋ（Ｈａ−Ｈｂ）を大きくすることが有効であり、Ｈａを大きくし、Ｈｂを小さくすることが要求される。このためには、磁気インピーダンス効果素子１ａを前記移送ラインに可及的に接近させ、磁気インピーダンス効果素子１ｂを可及的に同移送ラインから遠ざける必要があり、両磁気インピーダンス効果素子の配設間隔を広くせざるを得ず、差動式磁気インピーダンス効果センサーの大型化が避けられない。

本発明の目的は、食品等の物品の製造工程において磁性異物の侵入があった不良物品を充分に小型の磁気インピーダンス効果センサーで高感度にて検出することにある。

請求項１に係る不良物品の電磁的検出方法は、所定の移送路に沿って移送中の物品に対し、磁化異物を含有した不良品を検出する方法であり、前記移送路の途中に移送方向に所定の間隔を隔てて磁気インピーダンス効果素子を配設し、両磁気インピーダンス効果素子の差出力で不良製品を検出することを特徴とする。
請求項２に係る不良物品の電磁的検出方法は、請求項１の不良物品の電磁的検出方法において、非磁性容器内に液状物を入れた物品が対象物品とされている。
請求項３に係る不良物品の電磁的検出方法は、所定の間隔を隔てて磁気インピーダンス効果素子を配設し、両磁気インピーダンス効果の差出力を検出出力とする差動式磁気インピーダンス効果センサーを、磁化異物を含有する被検査物表面に沿いスキャニングさせることを特徴とする。
請求項４に係る不良物品の電磁的検出方法は、請求項３の不良物品の電磁的検出方法において、磁性異物例えば注射針が折損残留された食品例えば枝肉が対象物品とされている。

差動式磁気インピーダンス効果センサーの一対の磁気インピーダンス効果素子を、磁気インピーダンス効果素子の感磁軸方向９０度の角度の方向に配置しているから、一対の磁気インピーダンス効果素子を、磁気インピーダンス効果素子の感磁軸方向に配置した従来例に比べ、素子の総数を少なくしても高密度のセンサー配置が可能となり、検出精度が増加する。また、差動式磁気インピーダンス効果センサーの一対の磁気インピーダンス効果素子を、磁化異物を検出しようとする物品の移送方向と同方向に隔離している場合、または、磁化異物を検出しようとする被検査物品への差動式磁気インピーダンス効果センサーのスキャニング方向を、一対の磁気インピーダンス効果素子を結ぶ直線の方向に一致させている場合は、磁化異物の磁気モーメントに基づき各磁気インピーダンス効果素子に作用する磁界に位相差が生じ、従ってその作用磁界に基づき各磁気インピーダンス効果素子に生じる出力に位相差が生じ、この位相差出力の相殺により急峻な変化が生じ、その急峻な変化のために高感度の検出が可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１−１は本発明において使用される差動式磁気インピーダンス効果センサーの一例の回路図を示している。
図１−１において、１ａ，１ｂは一対の磁気インピーダンス効果素子であり、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが使用される。かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波励磁電流を流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発生する。従って、周方向透磁率μ_θは同外殻部の円周方向の磁化に依存する。而るに、この通電中のアモルファスワイヤの軸方向に信号磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と信号磁界磁束との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μ_θが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。この変動現象は磁気インダクタンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が信号磁界（信号波）で変調される現象ということができる。更に、上記通電電流の周波数がＭＨｚオ−ダになると、高周波表皮効果が大きく現れ、表皮深さδ＝（２ρ／wμ_θ）^１／２（μ_θは前記した通り円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数をそれぞれ示す)がμ_θにより変化し、このμ_θが前記した通り、信号磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も信号磁界で変動するようになる。この変動現象は磁気インピーダンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が信号磁界（信号波）で変調される現象ということができる。

図１−１において、２は磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂに高周波励磁電流を加えるための高周波電流源回路、３ａ，３ｂは磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂの軸方向に作用する信号磁界（信号波）で前記高周波励磁電流（搬送波）を変調させた被変調波を復調する検波回路、４は両検波出力を差動増幅して検出出力を得るための演算差動増幅器である。６０は差動増幅器４の出力を各負帰還用巻線６ａ，６ｂに対し負帰還させるための負帰還回路である。５は検出出力端である。７ａ，７ｂはバイアス磁界用巻線である。

磁気インピーダンス効果素子においては、前記した通り励磁電流に基づく円周方向磁束と信号磁界による軸方向磁束との合成により、円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずらされるために、周方向透磁率μ_θが変化し、インダクタンスが変動され、この円周方向透磁率μ_θの高周波表皮効果の表皮深さの変化でインピーダンスが変動される。従って、信号磁界の±により上記合成磁界による周方向ずれφも±φになるが、周方向の磁界の減少倍率cos(±φ)は変わらず、従ってμ_θの減少度は信号磁界の方向の正負によっては変化されない。従って、信号磁界−出力特性は、図１−２の（イ）のように信号磁界をｘ軸に、出力をｙ軸にとると、ｙ軸に対してほぼ左右対称となる。この信号磁界−出力特性は非線形である。非線形特性では、不安定であり、高感度の測定も困難である。そこで、負帰還用巻線で負帰還をかけて図１−２の（ロ）に示すように出力特性を直線化している。しかし、この出力特性では、信号磁界の極性判別を行ない得ないので、バイアス用巻線７でバイアス磁界をかけ、図１−２の（ハ）に示すように極性判別可能としている。すなわち、図１−２の（ロ）の特性を、図１−２の（ハ）に示すようにバイアス磁界−Ｈｂによりｘ軸のマイナス方向に移動させ、信号磁界の最大検出範囲を単斜め線領域の範囲内−Ｈmax〜＋Ｈmaxに納めている。

上記磁気インピーダンス効果素子１としては、遷移金属と非金属の合金で非金属が１０〜３０原子％組成のもの、特に遷移金属と非金属との合金で非金属量が１０〜３０原子％を占め、遷移金属がＦｅとＣｏで非金属がＢとＳｉであるかまたは遷移金属がＦｅで非金属がＢとＳｉである組成のものを使用することができ、例えば、組成Ｃｏ_７０．５Ｂ_１５Ｓｉ_１０Ｆｅ_４．５、長さ２０００μｍ〜６０００μｍ、外径３０μｍ〜５０μｍφのものを使用できる。 磁気インピーダンス効果素子１には、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤの外、アモルファスリボン、アモルファススパッタ膜等も使用できる。

上記において、高周波励磁電流には、例えば連続正弦波、パルス波、三角波等の通常の高周波を使用でき、高周波励磁電流源としては、例えばハートレー発振回路、コルピッツ発振回路、コレクタ同調発振回路、ベース同調発振回路のような通常の発振回路の外、水晶発振器の矩形波出力を直流分カットコンデンサを経て積分回路で積分しこの積分出力の三角波を増幅回路で増幅する三角波発生器、ＣＭＯＳ−ＩＣを発振部として使用した三角波発生器等を使用できる。

上記の検波回路としては、例えば被変調波を演算増幅回路で半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成、被変調波をダイオードで半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成等を使用できる。
また、被変調波（周波数ｆｓ）に同調させた周波数ｆｓの方形波を被変調波に乗算して信号波をサンプリングする同調検波を使用することができる。
上記の実施例では、被変調波の復調によって被検出磁界を取り出しているが、これに限定されず、磁気インピーダンス効果素子に作用する信号磁界（信号波）で変調された高周波励磁電流波（搬送波）から信号磁界を検波し得るものであれば、適宜の検波手段を使用できる。

前記負帰還用巻線及びバイアス磁界用巻線は磁気インピーダンス効果素子に巻き付けることができる。また、図１−３に示すように磁気インピーダンス効果素子とループ磁気回路を構成する鉄芯に負帰還用巻線及びバイアス磁界用巻線を巻き付けることもできる。 図１−３の（イ）は鉄芯巻線付き磁気インピーダンス効果ユニットの一例を示す側面図、図１−３の（ロ）は同じく底面図、図１−３の（ハ）は図１−３の（ロ）におけるハ−ハ断面図である。
図１−３において、１００は基板チップであり、例えばセラミックス板を使用できる。１０１は基板片の片面に設けた電極であり、磁気インピーダンス効果素子接続用突部１０２を備えている。この電極は導電ペースト、例えば銀ペーストの印刷・焼付けにより設けることができる。１ｘは電極１０１，１０１の突部１０２，１０２間にはんだ付けや溶接により接続した磁気インピーダンス効果素子であり、前記した通り零磁歪乃至負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、スパッタ膜等を使用できる。１０３は鉄やフェライト等からなるＣ型鉄芯、６ｘはＣ型鉄芯に巻装した負帰還用巻線、７ｘは同じくバイアス磁界用巻線であり、磁気インピーダンス効果素子１ｘとＣ型鉄芯１０３とでループ磁気回路を構成するように、Ｃ型鉄芯１０３の両端を基板片１００の他面に接着剤等で固定してある。鉄芯材料としては、残留磁束密度の小さい磁性体であればよく、例えば、パーマロイ、フェライト、鉄、アモルファス磁性合金の他、磁性体粉末混合プラスチック等を挙げることができる。

図２は本発明において使用される製造ラインを示す図面である。
図２において、ａはベルトコンベヤ、ｂは非磁性容器に液状物を入れた製品である。
非磁性容器としては、紙容器、プラスチック容器、ガラス容器の他、アルミ蒸着やアルミラミネート等の非磁性金属複合容器等が使用される。製品としては、パックタイプのお茶、コーヒ、牛乳、ヨーグルト等を例示できる。
この製造ラインにおいては、容器内に液状物を充填した後容器を閉封するまでに、容器内に製造装置の部品であるベアリング、ボルト・ナット、ネジや製造装置の破片等の磁性金属異物が落下侵入することがあり得る。

図２において、１ａ，１ｂは前記した差動式磁気インピーダンス効果センサーの磁気インピーダンス効果素子を示し、その配設方向はコンベヤの移送方向に一致されている。磁気インピーダンス効果素子の配設間隔はＬで示されている。この差動式によれば、地磁気や近傍設置の磁性体構造物からの残留磁気による外部ノイズや差動各サイドの温度変化等に起因するノイズ等が差動増幅器に同相で入力されるから、ノイズを良好に排除できる。

この差動式磁気インピーダンス効果センサーにおいて、各磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂの軸方向に作用する信号磁界をＨａ、Ｈｂとすると、差動検出出力はＶ_ｏｕｔは
Ｖ_ｏｕｔ＝ｋ（Ｈａ−Ｈｂ）
で与えられる。

図３に示すように、磁化された磁性異物を製品の移送方向ｎに対して直角方向の磁気モーメントＭの磁気ダイポールと見做し、磁気インピーダンス効果素子１の向きがその磁気ダイポールの方向と一致し、磁気インピーダンス効果素子の中心が磁気ダイポールに対して距離Ｒ、角度φの位置ｏに存在するとすると、磁気ダイポールによる位置ｏでの磁界強度Ｈは、
Ｈ＝Ｍ（１＋３cos^２φ）^１／２／（４πμ_０Ｒ^３）
で与えられる。
図３から明らかな通り、この磁界Ｈの磁気インピーダンス効果素子の軸方向成分Ｈ_ｍは、
Ｈｍ＝Ｈcos（φ＋θ）＝Ｈ（cosφcosθ−sinφsinθ）
で与えられ
sinθ＝sinφ／（１＋３cos^２φ）^１／２
cosθ＝２cosφ／（１＋３cos^２φ）^１／２
の関係があるから
Ｈm＝Ｍ（cos^２φ＋１）／（４πμ_０Ｒ^３）
で与えられる。

前記磁気ダイポールすなわち磁化異物が一の磁気インピーダンス効果素子上を通過するときにＲが最小となって１／（４πμ_０Ｒ^３）が最大となり、φが０になって（１＋cos^２φ）が最大となる。これに対して、磁化異物と一の磁気インピーダンス効果素子との間が遠いほどＲ→∞となって１／（４πμ_０Ｒ^３）→０となり、φ→±９０°になって（１＋cos^２φ）→＋１となる。
一の磁気インピーダンス効果素子１ａの検出出力を図示すると、図４の（イ）のようになる。これに対し、距離Ｌを隔てた他方の磁気インピーダンス効果素子１ｂの検出出力は、距離Ｌの位相分だけずれるから、図４の（ロ）のようになる。従って、差出力ｋ（Ｈａ−Ｈｂ）は図４の（ハ）のようになる。
而るに、Ｌ→０になると差出力は０になり、好ましくない。
ＨａとＨｂとの相互干渉により急峻に変化する出力を得るには図４の（イ）(ロ)の山を険しくすることが有効であり、山の険しさは磁気インピーダンス効果素子１ａ（１ｂ）の直上に磁化異物が位置したときの磁気インピーダンス効果素子１ａ（１ｂ）と磁化異物との間の距離ｒに依存し、この距離ｒは特定できる。相互干渉により急峻に変化する出力を得るためには、前記山の険しさに応じて適切に磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂ間の距離Ｌを設定することが必要であり、パックタイプのお茶、コーヒ、牛乳、ヨーグルト等のベルトコンベヤ移送中での異物検出の場合、Ｌをｒの１０％以上とすることが適切である。

この急峻な変化が明確であって感度アップに寄与する。この高感度出力変化を生じる差動式磁気インピーダンス効果センサーの一対の磁気インピーダンス効果素子を、磁化異物を検出しようとする物品の移送方向と同方向に隔離しているから、また、磁化異物を検出しようとする被検査物品への差動式磁気インピーダンス効果センサーのスキャニング方向を、一対の磁気インピーダンス効果素子を結ぶ直線の方向に一致させているから、磁化異物の磁気モーメントに基づき各磁気インピーダンス効果素子に作用する磁界に位相差が生じ、従ってその磁気インピーダンス効果一対の磁気インピーダンス効果素子を磁気インピーダンス効果素子の感磁軸方向９０度時点は、不良物品が両磁気インピーダンス効果素子間の中央に到来したときであり、両磁気インピーダンス効果素子間の中央に不良製品排除手段を設けておき、前記の時点でその排除手段を動作させるようにすれば磁性異物が液状物内に侵入した不良製品を確実に排除できる。
この場合、排除手段は検出出力の前記急峻な変化を検知し、この検知で自動的に動作される。

本発明によれば、食品製造加工処理において、前記差動式磁気インピーダンス効果センサーを、食品表面に沿い一対の磁気インピーダンス効果素子間を結ぶ直線の方向にスキャニングさせていくことにより、残留している磁性異物を検出できる。
このスキャニング方式では、差動式磁気インピーダンス効果センサーの磁気インピーダンス効果素子部分を分離し、この分離した磁気インピーダンス効果素子対ユニットと残部のセンサ本体との間を可撓性リード線で接続し、磁気インピーダンス効果素子対ユニットをスキャニングさせることもできる。

上記磁化異物の磁気モーメントを強くするために、コンベヤライン方式では、差動式磁気インピーダンス効果センサー設置位置よりも上流側に帯磁手段を設けることもできる。スキャニング方式では、磁化異物の検出に先立ち、被検査物を帯磁処理することも可能である。

本発明において、コンベヤライン方式は、衣料や医薬品の流通過程での磁化異物の検出にも適用でき、スキャニング方式は、医療用のカテーテルの先端磁石の位置検出にも適用できる。

本発明において使用される差動式磁気インピーダンス効果センサーを示す図面である。 磁気インピーダンス効果センサーの出力特性を示す図面である。 前記磁気インピーダンス効果センサーにおいて使用される鉄芯巻線付き磁気インピーダンス効果ユニットを示す図面である。 本発明において使用される物品の製造ラインを示す図面である。 前記磁気インピーダンス効果センサーの磁気インピーダンス効果素子に磁化異物の磁気モーメントにより作用する磁界を示す図面である。 本発明における差動式磁気インピーダンス効果センサーの出力を示す図面である。

符号の説明

ａ ベルトコンベヤ
ｂ 容器内に液状物を入れた製品
ｓ 差動式磁気インピーダンス効果センサー
１ａ，１ｂ 一対の磁気インピーダンス効果素子

Claims (4)

1. 所定の移送路に沿って移送中の物品に対し、磁化異物を含有した不良品を検出する方法であり、前記移送路の途中に移送方向に所定の間隔を隔てて磁気インピーダンス効果素子を配設し、両磁気インピーダンス効果素子の差出力で不良製品を検出することを特徴とする不良物品の電磁的検出方法。
2. 非磁性容器内に液状物を入れた物品が対象物品とされている請求項１記載の不良物品の電磁的検出方法。
3. 所定の間隔を隔てて磁気インピーダンス効果素子を配設し、両磁気インピーダンス効果の差出力を検出出力とする差動式磁気インピーダンス効果センサーを、磁化異物を含有する被検査物表面に沿いスキャニングさせることを特徴とする不良物品の電磁的検出方法。
4. 磁性異物が残留された食品が対象物品とされている請求項３記載の不良物品の電磁的検出方法。

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