JP2008203163A

JP2008203163A - 磁性物の検知方法

Info

Publication number: JP2008203163A
Application number: JP2007041559A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Toyoda; 一実豊田; Yosuke Muranaga; 陽介村永
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-02-22
Also published as: JP4986654B2

Abstract

【課題】導電性物の共存のもとでも磁性物を磁気インピーダンス効果センサにより確実に検知する。
【解決手段】導電性物と磁性物とが共存する対象物（または磁気インピーダンス効果センサ１０）に対し磁気インピーダンス効果センサ１０（または対象物）を移動させつつ磁気インピーダンス効果センサ１０の磁気インピーダンス効果素子に励磁電流を流して磁界を発生させ、導電性物からこの磁界に対する反作用磁界を発生させ、その反作用磁界と磁性物の磁気により励磁電流を変化させ、この変化に応じて出力を発生させ、前記導電性物の反作用磁界に応じた出力分を減算し、磁性物の磁気に応じた出力分のみを検出する。
【選択図】図１−１

Description

本発明は、磁性物と導電性物とが共存する対象物から磁性物のみを磁気インピーダンス効果センサにより検知する方法に関し、例えばアルミニウム箔ラミネートパック飲料中に入り込んだ機械破片等の磁性異物を検知するのに使用されるものである。

アモルファス合金ワイヤとして、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開発されている。
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電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に外部磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と外部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。
而して、この変動現象が磁気インダクタンス効果と称され、この効果を奏するアモルファスワイヤ等が磁気インダクタンス効果素子と称されている。

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、外部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外部磁界で変動するようになる。
而して、この変動現象が磁気インピーダンス効果と称され、この効果を奏するアモルファスワイヤ等が磁気インピーダンス効果素子と称されている。

そこで、この磁気インピーダンス効果素子を利用した外部磁界検出法（例えば、特許文献１参照）及び磁気インダクタンス効果を使用した外部磁界検出方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

上記において、外部磁界の正負により上記磁界の周方向ずれφにも正負が生じるが、周方向の磁界の減少倍率cos(±φ)は変わらず、従ってμθの減少度は外部磁界の方向の正負によっては変化されない。従って、外部磁界−出力特性は磁界をｘ軸に、出力をｙ軸にとると、図２の（イ）に示すように、ｙ軸に対してほぼ左右対称となる。また、図２の（イ）に示すように、非線形になる。

この磁気インピーダンス効果素子を使用した磁界検出回路は、基本的には、図６に示すように（１）磁気インピーダンス効果素子１’に高周波励磁電流を加えるための高周波電流源２’と、（２）磁気インピーダンス効果素子１’と、（３）磁気インピーダンス効果素子に加わる外部磁界Ｈｅｘで前記高周波励磁電流（搬送波）を変調させた変調波を復調する検波回路３’と、（４）復調波を増幅する増幅器４’と、（５）検出出力端５’等から構成されている。
図３の（イ）は磁気インピーダンス効果素子に加えられる被検出磁界（外部磁界）Ｈｅｘを、（ロ）は磁気インピーダンス効果素子に流される高周波励磁電流波（搬送波）Ｉｃを、（ハ）は磁気インピーダンス効果素子の出力としての変調波を、（ニ）は復調波をそれぞれ示している。

被検出磁界の振幅Ｈｅｘと出力Ｅｏｕｔの振幅との関係を図示すると前記の左右対称性及び非線形性から図２の（イ）のように表わすことができる。
そこで、図６の回路において、６’で示す負帰還用コイルで負帰還をかけて図２の（ロ）に示すように特性を直線化することが行われている。
更に、図２の（ハ）に示すように、図２の（ロ）の特性を、図２の（ハ）に示すようにバイアス磁界により矢印方向に移動させ、極性判別可能とすることも行われている。
図５において、７’はバイアス磁界用コイルを示している。

図７の（イ）及び（ロ）は前記磁気インピーダンス効果センサにおける公知のコイル付き磁気インピーダンス効果素子を示し、図７の（イ）に示すものでは、磁気インピーダンス効果素子１’に負帰還用コイル６’とバイアス磁界用コイル７’とを巻き付けてあり、図７の（イ）に示すものでは、基板１００’の片面に磁気インピーダンス効果素子１’を配設し、基板の他面に鉄芯１０３’を前記磁気インピーダンス効果１’とで磁気ループ回路を構成するように配設し、該鉄芯１０３’に負帰還用コイル６’とバイアス磁界用コイル７’とを巻き付けてある（特許文献３）。
特開平７−１８１２３９号公報特開平６−２８３３４４号公報特開２００２−２８９９４０号公報

前記の磁気インピーダンス効果センサによれば、スキャニング法により、鉄片等の磁性異物を検知することができる。鉄などは加工や使用中に受ける応力、地磁気等の磁界の被曝などにより通常磁化されており、その磁気双極子が発生する磁界が微弱であっても、磁気インピーダンス効果センサを使用すれば、その高感度のために検知可能である。

ところで、図７の（ロ）に示すコイル付き磁気インピーダンス効果素子を用いた磁気インピーダンス効果センサでは、本発明者等の鋭意検討結果によれば、導電性物に対しても出力することが判明した。
その理由を検証すると、励磁電流の通電により磁気インピーダンス効果素子の周りに発生する磁界が導電性物に印加され、導電性物にうず電流が流れ、そのうず電流により発生する磁界、すなわち反作用磁界によって前記の印加磁界が減じられ、磁気インピーダンス効果素子が導電性物上を通過する際の前記磁界の変化のために、出力変化が生じる結果である。
従って、アルミニウム箔・紙ラミネートパックで包装した飲料品のパック中に機械破片などの鉄系細片が含まれているか否かを検査する場合、鉄系細片の含有のない正常品でも出力が発生し、この正常品出力と鉄系細片の含有品出力との混同が避けられず、正確な検査を行うことができない。

本発明の目的は、導電性物の共存のもとでも磁性物を磁気インピーダンス効果センサにより確実に検知することにある。

請求項１に係る磁性物の検知方法は、導電性物と磁性物とが共存する対象物（または磁気インピーダンス効果センサ）に対し磁気インピーダンス効果センサ（または対象物）を移動させつつ磁気インピーダンス効果センサの磁気インピーダンス効果素子に励磁電流を流して磁界を発生させ、導電性物からこの磁界に対する反作用磁界を発生させ、その反作用磁界と磁性物の磁気により励磁電流を変化させ、この変化に応じて出力を発生させ、前記導電性物の反作用磁界に応じた出力分を減算し、磁性物の磁気に応じた出力分のみを検出することを特徴とする。
請求項２に係る磁性物の検知方法は、所定間隔の導電性物に対し磁気インピーダンス効果センサを移動させつつまたは磁気インピーダンス効果センサに対し所定の間隔で導電性物を移動させ、導電性物中に含まれることのある磁性物を検知する方法であり、磁気インピーダンス効果センサの磁気インピーダンス効果素子に励磁電流を流して磁界を発生させ、導電性物からこの磁界に対する反作用磁界を発生させ、その反作用磁界と磁性物の磁気により励磁電流を変化させ、この変化に応じて出力を発生させ、前記導電性物の反作用磁界に応じた出力分を減算し、磁性物の磁気に応じた出力分のみを検出することを特徴とする。
請求項３に係る磁性物の検知方法は、請求項１または２の磁性物の検知方法において、出力を磁気インピーダンス効果素子に負帰還させるための負帰還用コイル及び同素子にバイアス磁界を加えるためのバイアス磁界用コイルとが、磁気インピーダンス効果素子とでループ磁気回路を構成する鉄芯に巻装されている磁気インピーダンス効果センサを使用することを特徴とする。
請求項４に係る磁性物の検知方法は、請求項２または３の磁性物の検知方法において、導電性物がアルミニウム箔ラミネート包装容器のアルミニウム箔であり、磁性物がその容器の内容物中の異物であることを特徴とする。

磁気インピーダンス効果素子が負帰還用コイルやバイアス磁界用コイルで囲まれていないから、励磁電流の通電により磁気インピーダンス効果素子から発生する磁界が導電性物に作用し、導電性物にうず電流が流れ、このうず電流により発生する反作用磁界で励磁電流が変化され、この励磁電流の変化のために出力が生じる。しかしながら、この出力分を減算して検出出力としているから、導電性物は検知されない。
磁性物に対しては、磁性物の磁化磁気によって前記の励磁電流が変調され（磁気インピーダンス効果）、この変調波の復調によりその磁気が検出される。
従って、導電性物と磁性物とが共存している対象から、磁性物のみを検出できる。

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は本発明に使用する磁気インピーダンス効果センサの回路図の一例を示している。
図１−１において、１０はコイル付き磁気インピーダンス効果素子である。１はそのコイル付き磁気インピーダンス効果素子１０の磁気インピーダンス効果素子であり、図２の（イ）に示す特性を有する。図２の（イ）において、Ｈexは磁気インピーダンス効果素子の軸方向に作用する被検出磁界、Ｅoutは出力である。６はその負帰還用コイルを示し、前記の特性が図２の（ロ）に示すようにリニア特性とされる。７はそのバイアス磁界用コイルを示し、図２の（ロ）の特性がバイアス磁界Ｈｂでシフトされて極性判別可能とされる。

図１−２の（イ）はそのコイル付き磁気インピーダンス効果素子の一例を示す側面図、図１−２の（ロ）は同じく底面図、図１−２の（ハ）は図１−２の（ロ）におけるハ−ハ断面図である。
図１−２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。１は電極１０１，１０１の突部１０２，１０２間に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、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、６はＣ型鉄芯に巻装した負帰還用コイル、７は同じくバイアス磁界用コイルであり、磁気インピーダンス効果素子１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。

磁気インピーダンス効果素子１には、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）が被検出磁界（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、これは図３に示すように、図３の（ロ）に示す高周波励磁電流（搬送波）が図３の（イ）に示す被検出磁界（信号波）で図３の（ハ）に示すように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に高周波励磁電流を加えるための高周波電流源回路、３は磁気インピーダンス効果素子の軸方向に作用する被検出磁界Ｈ（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は復調波を増幅する増幅回路、６０は負帰還回路、７０はバイアス磁界用＋Ｖｃｃ電源、５０は増幅回路出力を所定のクリップ値で減算するクリップ回路、５は検出出力端である。

前記磁気インピーダンス効果素子には、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。
磁気インピーダンス効果素子１の組成としては、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。

前記の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。

前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（信号波）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。

図４は、パック飲料品の製造工程において、製造工程中に発生してパック中に落下した機械破片などの磁性物を本発明により検知するアルミニウム箔ラミネートパック飲料品の検査ラインを示し、Ｃはコンベア、Ｐはアルミニウム箔ラミネートパック飲料品である。Ｓは磁気インピーダンス効果センサを示し、パック内に落下した機械破片（磁性物破片）が通常パック内定面まで沈下するので、その破片と磁気インピーダンス効果素子との距離を可及的に短くするために、パックの下方に、かつ磁気インピーダンス効果素子をパック底面に対面させるように配設してある。
本発明を実施するには、コンベアによりアルミニウム箔ラミネートパック飲料品を走行させると共に磁気インピーダンス効果センサの磁気インピーダンス効果素子に励磁電流を流し磁界を発生させる。
磁気インピーダンス効果素子が負帰還用コイルやバイアス磁界用コイル等で囲まれておらず磁気遮蔽が無いから、磁気インピーダンス効果素子の周囲空間に前記磁界が広く分布して移送中のパック飲料品に加わる。従って、パックのアルミニウム箔にその導電性のためにうず電流が発生し、反作用磁界により前記励磁電流が変動される。
その変動は、磁気インピーダンス効果素子の直下をパックの中央点が通過するときに最大となり、この変動された励磁電流の磁気インピーダンス効果素子出力端電圧が検波回路を経て増幅回路出力端に図５の（イ）に示すように出力される（その出力値をΔＥで示している）。図５の（イ）において、時間Ｔは、先のパックの中央点が磁気インピーダンス効果センサの直下を通過する時点から次のパックの中央点が磁気インピーダンス効果センサの直下を通過する時点までの時間に一致している。

前記の磁性物破片が入ったパックが磁気インピーダンス効果素子の直上を通過すると、該破片が加工時や破断時の応力などのために磁化されているから、その磁気双極子による発生磁界が磁気インピーダンス効果素子に作用して励磁電流が磁気インピーダンス効果により変調され、磁気インピーダンス効果素子端のその変調出力が検波回路で復調されて出力が得られる。この出力は、図５の（ロ）に示すように、励磁電流が磁性物破片の磁気で変調されることによる出力、すなわち磁気インピーダンス効果に基づく出力値Ｅとパックのアルミニウム箔の反作用磁界に基づく出力値ΔＥとが重畳されたものである。
本発明においては、増幅回路出力をクリップ回路に通し前記出力分ΔＥよりやや高い値ΔＥ’でクリップして検出出力としており、図５の（ハ）に示すように、パックのアルミニウム箔による干渉を排除してパック内侵入磁性異物を確実に検知できる。

上記の実施例では、磁気インピーダンス効果センサを固定とし、被検知物を移動させているが、被検知物を所定の間隔で配置し、それらの直上に磁気インピーダンス効果センサを移動させることもできる。
上記の実施例では、アルミニウム箔のような導電性物に本来付けられるべきでない鉄破片のような磁性物が付いているか否かを検査しているが、本来磁性物が付けられているべき導電性物からその磁性物が脱落しているか否かを検査する場合にも、本発明を適用できる。
前記実施例では、導電性物と磁性物とが実質的に一体の対象物（鉄破片侵入のアルミニウム箔ラミネートパック飲料品）と導電性物（鉄破片侵入のない正常なアルミニウム箔ラミネートパック飲料品）との中から導電性物と磁性物とが実質的に一体の対象物を検知するようにしているが、磁性物品と導電性物品との中から磁性物品を検知するのに使用することもできる。

本発明において使用する磁気インピーダンス効果センサの一例の回路図である。図１−１の磁気インピーダンス効果センサのコイル付き磁気インピーダンス効果素子を示す図面である。磁気インピーダンス効果素子の出力特性を示す図面である。磁気インピーダンス効果センサにおける各所での入・出力波形を示す図面である。本発明が適用される物品搬送ラインを示す図面である。図４のラインにおける磁気インピーダンス効果センサの出力を示す図面である。従来の磁気インピーダンス効果センサを示す回路図である。従来の磁気インピーダンス効果センサのコイル付き磁気インピーダンス効果素子を示す図面である。

符号の説明

１磁気インピーダンス効果素子
１０磁気インピーダンス効果センサ
２励磁電流源
３検波回路
４増幅回路
５検出出力端
５０クリップ回路
６負帰還磁界用コイル
７バイアス磁界用コイル

Claims

導電性物と磁性物とが共存する対象物（または磁気インピーダンス効果センサ）に対し磁気インピーダンス効果センサ（または対象物）を移動させつつ磁気インピーダンス効果センサの磁気インピーダンス効果素子に励磁電流を流して磁界を発生させ、導電性物からこの磁界に対する反作用磁界を発生させ、その反作用磁界と磁性物の磁気により励磁電流を変化させ、この変化に応じて出力を発生させ、前記導電性物の反作用磁界に応じた出力分を減算し、磁性物の磁気に応じた出力分のみを検出することを特徴とする磁性物の検知方法。
所定間隔の導電性物に対し磁気インピーダンス効果センサを移動させつつまたは磁気インピーダンス効果センサに対し所定の間隔で導電性物を移動させ、導電性物中に含まれることのある磁性物を検知する方法であり、磁気インピーダンス効果センサの磁気インピーダンス効果素子に励磁電流を流して磁界を発生させ、導電性物からこの磁界に対する反作用磁界を発生させ、その反作用磁界と磁性物の磁気により励磁電流を変化させ、この変化に応じて出力を発生させ、前記導電性物の反作用磁界に応じた出力分を減算し、磁性物の磁気に応じた出力分のみを検出することを特徴とする磁性物の検知方法。
出力を磁気インピーダンス効果素子に負帰還させるための負帰還用コイル及び同素子にバイアス磁界を加えるためのバイアス磁界用コイルとが、磁気インピーダンス効果素子とでループ磁気回路を構成する鉄芯に巻装されている磁気インピーダンス効果センサを使用することを特徴とする請求項１または２記載の磁性物の検知方法。
導電性物がアルミニウム箔ラミネート包装容器のアルミニウム箔であり、磁性物がその容器の内容物中の異物であることを特徴とする請求項２または３記載の磁性物の検知方法。