JP2013134227A

JP2013134227A - 金属検知装置

Info

Publication number: JP2013134227A
Application number: JP2011286597A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Okitsu; 克彦興津
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-08

Abstract

【課題】簡単な構成で、比較的感度が良く、かつ、電子回路の規模が小さな金属検知装置を提供する。
【解決手段】主検知コイル１１に対して、副検知コイル回路１８を対向配置する。副検知コイル回路１８は、副検知コイル１２に共振用コンデンサＣ３を接続して構成されている。副検知コイル回路１８は、主検知コイル１１に対して電気的に絶縁されており、外部からの電力の供給は不要である。主検知コイル１１のみで金属検知を行う金属検知装置１０に、副検知コイル回路１８を追加してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は共振型コイルによる金属検知装置に関する。

特許文献１には、複数のコイルを対向配置した金属検知装置が提案されている。発振コイルは、２００ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ程度の高周波電流が供給され、磁束を発生する。複数のコイルのうち第１受信コイルは、２つのコイルを差動接続することで形成された平衡型受信コイルである。第２受信コイルは、第１受信コイルに隣接して配置された不平衡型受信コイルである。特許文献１では、高周波の交番磁界の受信レベルが低下すると、金属が通過したと判定する。また、特許文献１では、第１受信コイルおよび第２受信コイルの出力を増幅することで検知感度を高めている。

特開平７−３２５１５９号公報

従来の金属検知装置では、特許文献１のように、送信コイルと受信コイルとを用いて受信コイルの信号を差動増幅する送受信型が主流である。しかし送受信双方に複雑な電気回路が必要になり、かつ、送受信コイルの配置が面倒なため、高コストを招きやすい。

ところで、被検体の接近によるセンサコイルのインピーダンス変化を利用して金属異物を検知する単コイル共振型の金属検知装置が知られている。単コイル共振型では、受信コイルが必要ない。また、センサコイルにブリッジ回路を組み合わせることによって検知感度を高めることができる。また、センサコイルにコンデンサを組み合わせて同調回路や共振回路を構成することによっても検知感度を高めることもできる。

しかし、単コイル共振型には、センサコイルから離れると急激に感度が低下するという性質があるため、従来構成のままでは、検知範囲が狭く、小さなステイプルやクリップを検知するために感度が不十分であった。複数の単コイル共振型の金属検知装置を対向配置することで、検知感度を補うことも考えられる。しかし、センサコイルが増えるだけでなく、共振回路や検知回路も二組が必要になり、高コストを招きやすい。

そこで、本発明は、簡単な構成で、比較的感度が良く、かつ、電子回路の規模が小さな金属検知装置を提供することを目的とする。

本発明は、たとえば、
主検知コイルと、
前記主検知コイルに対向配置した副検知コイルと、
前記主検知コイルと前記副検知コイル回路による合成インダクタンスを利用して共振する自励起式共振回路と、
を備え、
前記自励起式共振回路の共振周波数の変化により金属を検知することを特徴とする金属検知装置を提供する。

本発明によれば、主検知コイルに対して、副検知コイルを対向配置するという簡単な構成を採用することで、比較的に感度のよい金属検知装置を実現できる。また、副検知コイルと、この副検知コイルに接続した共振用コンデンサとを備えた副検知コイル回路を本発明に適用することで、副検知コイルに共振用コンデンサを接続した単純な構成となり、金属検知装置の全体として、電子回路の規模を小さくできる。この副検知コイル回路は、主検知コイルに対して電気的に絶縁されており、しかも、外部からの電力の供給も不要である。よって電気配線なども削減できる。

図１は、本発明の実施形態に係る金属検知装置の構成を示す図である。図２は、本発明の実施形態に係る金属検知装置の回路構成を示す図である。図３は、本発明の実施形態に係る自励起式発振波形の変化を示す図である。図４は、本発明の実施形態に係る金属検知範囲を示す図である。図５は、本発明の実施形態に係る金属検知装置の検知コイル周辺の構成を示す図である図６は、本発明の実施形態に係る金属検知装置の副検知部の分離構成を示す図である図７は、本発明の実施形態に係る金属検知装置を用いた画像読取装置の構成例である。図８は、本発明の実施形態に係る金属検知装置を用いた画像読取装置の構成例である。

＜実施例１＞
本発明の金属検知装置の実施例１について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図１において、金属検知装置１０は、主検知コイル１１と副検知コイル回路１８とによる合成インダクタンスを利用して共振する自励起式共振回路１４の共振周波数の変化により金属を検知する。

磁束線Ｂは、主検知コイル１１と副検知コイル１２との間に発生する。主検知コイル１１と副検知コイル１２との間に発生する磁界は交番磁界であり、共振周期によって磁界の方向が変化する。図１が示すように、副検知コイル１２は、主検知コイル１１に同心上に対向配置されている。副検知コイル１２と主検知コイル１１とは電磁界共振関係にある。つまり、副検知コイル１２と主検知コイル１１とは電磁界共振結合している。共振用コンデンサＣ３は、副検知コイル１２に相互に接続したコンデンサである。共振用コンデンサＣ３と副検知コイル１２とを接続することで副検知コイル回路１８が形成されている。共振用コンデンサＣ３の容量成分と副検知コイル１２のインダクタンス成分とは、電磁界共振条件を決定するパラメータである。また、主検知コイル１１の巻数と副検知コイル１２のコイル巻数は、両者に共振関係が成り立つ巻数であれば十分である。なお、金属検知範囲の観点から、主検知コイル１１の巻数と副検知コイル１２のコイル巻数は、基本的に同一としてよい。また、主検知コイル１１と副検知コイル１２のサイズ（直径）も、両者に共振関係が成り立つサイズであれば十分であるが、基本的に同サイズとしてよい。コイルの形状に関しても、円形であってもよいし矩形であってもよい。なお、コイルの形状を長方形にすることで主検知コイル１１と副検知コイル１２を配置しやすくなる。

自励起式共振回路１４は、主検知コイル１１に接続されており、主検知コイル１１と副検知コイル１２の合成インダクタンスを用いて自励起式で共振発振する回路である。ここでの自励起式共振回路１４の周波数は主検知コイル１１と副検知コイル１２のパラメータを考慮して決定すればよい。検知コイルの巻数が増えると、共振周波数が低くなると同時に検知感度が上がる。しかし、検知コイルの巻数を増やせばコストアップを招いてしまう。また高周波の電磁波が外部に放射されることは望ましくない。よって、自励起式共振回路１４の共振周波数は１５０ｋＨｚ以下に調整することにする。なお、高周波の電磁波を抑制するシールドなどの対策を講じる場合は、自励起式共振回路１４の共振周波数を１５０ｋＨｚ以上としてもよい。

ここで、副検知コイル１２と共振用コンデンサＣ３による回路は、主検知コイル１１と自励起式共振回路１４とを含む回路に対して電気的に接続してはない。つまり、これらは相互に絶縁されている。

周波数計測器１３は、自励起式共振回路１４の周波数を計測する回路である。ＣＰＵ１７は、周波数計測器１３が出力する自励起式共振回路１４の周波数の変化を監視する。ＣＰＵ１７は、当該周波数が所定の閾値を超えていれば金属は存在しないと判定し、当該周波数が所定の閾値以下であれば金属が存在すると判定する。

図２は、自励起式共振回路１４の回路例を示した図である。この自励起式共振回路１４はトランジスタＱ１を用いた発振回路である。図２が示すように、主検知コイル１１の一端は接地されており、他端はコンデンサＣ６の一端に接続されている。コンデンサＣ６の他端は、トランジスタＱ１のベース端子と、抵抗Ｒ１の一端と、コンデンサＣ２の一端とに接続されている。抵抗Ｒ１の他端はトランジスタＱ１のコレクタ端子と電圧源Ｖ１とに接続されている。コンデンサＣ２の他端はコンデンサＣ１の一端と、トランジスタＱ１のエミッタ端子と、抵抗Ｒ２の一端と周波数計測器１３の入力端子とに接続されている。コンデンサＣ１の他端と、抵抗Ｒ２の他端とはそれぞれ接地されている。ここではトランジスタＱ１を用いた回路にて自励起式共振回路１４を作成しているが、その他の回路を用いて、主検知コイル１１と副検知コイル１２によるインダクタンス変化を検知してもよい。

図１や図２が示すように、主検知コイル１１と副検知コイル１２は平行に配置されており、両コイルの中心軸が重なっている。上述したように、ここで主検知コイル１１と副検知コイル１２は電磁界共振関係を有している。よって、夫々の近傍の磁界が変化すると、主検知コイル１１と副検知コイル１２との合成インダクタンスも変化する。

図３は、自励起式共振回路１４が出力する信号の波形の一例である。主検知コイル１１と副検知コイル１２との間に検知対象の金属が接近すると、金属に誘起される誘導電流により検知コイルの合成インダクタンスが増加する。これにより、自励起式共振回路１４の出力周波数ｆ１は、図３（Ａ）が示すように、相対的に低くなる。一方、主検知コイル１１と副検知コイル１２との間に検知対象の金属が無い状態では、合成インダクタンスは小さくなる。よって、図３（Ｂ）が示すように自励起式共振回路１４の出力周波数ｆ２は相対的に高くなる。

ここで、一定のサイズの金属が存在するときの共振周波数と金属が存在しないときの共振周波数との差分（変化量）を金属検知感度と定義する。この定義にしたがえば、金属検知感度が高い場合、小さな金属であっても共振周波数が大きく変化する。一方で、金属検知感度が低い場合、大きな金属であっても共振周波数がほとんど変化しない。

これを図４で詳しく説明する。図４で縦軸は金属検知感度を表し、横軸は主検知コイル１１と副検知コイル１２を垂直に貫く軸線上の位置を示している。Ｐ１は、図１や図２で主検知コイル１１が配置されている位置を示している。Ｐ２は、図１や図２で副検知コイル１２が配置されている位置を示している。Ｓ１は、主検知コイル１１を単独で使用したときの金属検知感度を表した感度曲線である。Ｓ１が示すように、主検知コイル１１が配置されている位置Ｐ１において感度が最大となっている。また、Ｐ１から離れるにしたがって、急激に金属検知感度が低下するのがわかる。Ｓ２は、副検知コイル１２を単独で使用した場合における金属検知感度を表した感度曲線である。副検知コイル１２が配置されている位置Ｐ２で感度が最大になり、Ｐ２から離れるにしたがって急激に感度が低下する。Ｓ３は、本実施例における金属検知装置１０の感度を表している。

図４が示すように、１つの検知コイルのみでは、金属検知可能領域が狭くなってしまう。それに対して、本実施例のように、主検知コイル１１に対して共振用コンデンサＣ３を伴う副検知コイル１２を配置することで、金属検知感度が向上する。Ｓ３が示すように、本実施例の金属検知感度は、主検知コイル１１の検知感度と副検知コイル１２の検知感度との合成感度に近似した感度となる。その結果、主検知コイル１１と副検知コイル１２の中間位置でも、金属検知感度が増加しているため、この中間位置に来た金属についても十分な共振周波数の変化が期待できる。つまり、中間位置を通過するようなステイプルやクリップのような微小な金属片も検知できるようになる。

ところで、金属以外の外部要因によって共振周波数が変化してしまうことがある。よって、金属以外の外部要因による共振周波数の変化量よりも少ない周波数変化量を金属検知判定閾値として設定することで本実施例では金属検知を行うものとする。

本実施例によれば、主検知コイル１１に対して、副検知コイル回路１８を対向配置するという簡単な構成を採用することで、比較的に感度のよい金属検知装置１０を実現できる。副検知コイル回路１８は、副検知コイル１２に共振用コンデンサＣ３を接続した単純な構成であるため、金属検知装置１０の全体として、電子回路の規模を小さくできる。副検知コイル回路１８は、主検知コイル１１に対して電気的に絶縁されており、しかも、外部からの電力の供給も不要である。よって電気配線なども削減できる。なお、構成部品数も少ないため、若干の回路定数調整を行うだけで、共振周波数を好適に設定できる利点もある。また、副検知コイル回路１８に対して他の回路部分と電気回路的な接続は不要である。そのため、主検知コイル１１のみで金属検知を行う金属検知装置１０に、副検知コイル回路１８を追加するだけで、金属検知感度を向上できる利点もある。

＜実施例２＞
実施例１の自励起式共振回路１４では、検知コイルのインダクタンスと回路上のコンデンサがＬＣ発振回路を構成している。また、回路上のコンデンサ以外に検知コイルとの間に意図しない浮遊容量が存在することがある。浮遊容量は、検知対象の物体や外部物体の接近により浮遊容量が変化することがある。よって、自励起式共振回路１４から見た容量成分が変化し、共振周波数も変化してしまう。この浮遊容量の変化量が大きくなると、金属検知の精度が低下してしまう。

そこで、本実施例では、主検知コイル１１や副検知コイル回路１８のうち少なくとも一方を非磁性導電部材のシールドで覆うことで、金属検知の精度を向上させることを特徴としている。

たとえば、図５に示すように、主検知コイル１１に対して非磁性導電部材のシールド１５を追加し、このシールド１５を接地する。つまり、シールド１５は、主検知コイル１１をシールドする非磁性導電部材の第１シールド部に相当する。さらに、副検知コイル１２に対してもシールド１６を追加し、このシールド１６を接地する。つまり、シールド１６は、副検知コイル１２をシールドする非磁性導電部材の第２シールド部に相当する。これにより、外乱要因による浮遊容量の変化に依存した共振周波数の変化幅を減少させることができるようになる。つまり、検知精度を向上させることができる。

ところで、共振周波数を高く設定すると、シールド１５、１６による渦電流損失が懸念されることがある。そこで、シールド１５、１６を形成する部材を網状にしてもよい。これにより、浮遊容量に対するシールド効果を最低限度で保持したまま、渦電流損失にも対処できるようになる。

＜実施例３＞
実施例３では、副検知コイル１２が主検知コイル１１に対して接離可能に構成され、自励起式共振周波数の変化で、接離状態を検知することを特徴としている。

図６（Ａ）に、実施例３にかかる金属検知装置１０を示す。主検知部３５は、その内部に主検知コイル１１を配置している。主検知部３５は、薄膜導電材のシールドを備え、主検知コイル１１をシールドしている。副検知部３６は、その内部に副検知コイル１２と図示しない共振用コンデンサＣ３を配置している。副検知部３６も、薄膜導電材のシールドを備え、副検知コイル１２シールドしている。制御部３４は、自励起式共振回路１４、周波数計測器１３およびＣＰＵ１７を備えており、主検知部３５に接続している。検知領域３８は主検知部３５と副検知部３６との間に存在する。金属検知装置１０は、検知領域３８を通過する金属などの検知対象物体を検知する。

ここで、副検知部３６は、主検知部３５に対して接離可能に構成されている。副検知部３６の底部には、脚部材４０が設けられている。脚部材４０は、金属検知装置１０の本体に設けられている支持溝３９に沿って移動する。これにより、主検知部３５と副検知部３６との間の距離が可変となっている。ここで、支持溝３９や脚部材４０は、副検知コイル回路を移動する移動手段として機能している。

副検知部３６が主検知部３５から離れている場合、自励起式共振回路１４の共振周波数が大きく変化する。ＣＰＵ１７は、この共振周波数が一定の範囲から外れているかどうかを判定する。つまり、ＣＰＵ１７は、自励起式共振回路の共振周波数が所定の範囲から外れたかどうかを判定する判定手段として機能する。共振周波数が一定の範囲から外れている場合、ＣＰＵ１７は、主検知部３５のみの単独で金属検知を実行させる。つまり、ＣＰＵ１７は、金属検知基準（共振周波数と比較される閾値）を単独動作用として予め設定されている第１の金属検知基準に変更する。一方、副検知部３６が所定位置に配置された場合には、自励起式共振回路１４の共振周波数が所定の周波数になる。ＣＰＵ１７は、共振周波数が一定の範囲から外れていないと判定すると、主検知部３５と副検知部３６との両方を用いた通常金属検知動作に移行する。ＣＰＵ１７は、金属検知基準を通常動作用として予め設定されている第２の金属検知基準に変更する。このように、副検知コイル１２の接離で金属検知する際の閾値周波数を変更する。

なお、副検知部３６の有無による共振周波数の変化は、金属の有無による変化に比して、十分に大きくなるように、回路各部のパラメータを調整することが望ましい。また副検知部３６が主検知部３５に対して一定の距離に配置された場合、外部操作によってＣＰＵ１７の初期化を行ってもよい。ＣＰＵ１７は、初期化されると、自励起式共振回路１４の共振周波数を周波数計測器１３の出力に基づいて決定し、決定した共振周波数を元に金属検知判定基準を更新する。ＣＰＵ１７は、予め複数の共振周波数とそれに対応した金属検知判定基準とをテーブル化して記憶装置に保持しているものとする。

本実施例では、副検知部３６を単独で移動可能とすることで、金属検知装置１０において大きな設計自由度が得られるようになる。

＜実施例４＞
図７（Ａ）および図７（Ｂ）に、金属検知装置１０を用いたシート材給送装置の一例を示す。シート材給送装置としては、シート材給送機構を備えた複写機や複合機などであってもよいが、シート材を搬送する装置であれば、本実施例を適用できる。このシート材給送装置は、画像読取装置１００である。原稿積載台１０１に積載してある原稿Ｐは、給紙口の付近に設けられている給送ローラ１０４によって画像読取装置１００の本体内に送り出される。

複数枚の原稿Ｐが重なって送り出されたときは、給送ローラ１０４と、これに圧接している分離ローラ１０３とによって原稿Ｐを１枚ずつに分離して給送する。具体的に説明すると、分離ローラ１０３は、原稿Ｐを上流側に戻すための回転力を、クラッチを介して受けている。原稿Ｐが１枚のとき原稿Ｐの給送力を受けてクラッチが解除され、分離ローラ１０３は給送ローラ１０４に追従して回転することを許容される。一方で、原稿Ｐが複数枚のとき、分離ローラ１０３は、給送方向とは逆の方向に回転して、上側の原稿Ｐを上流側に押し戻す。積載された複数枚の原稿Ｐのうち最も下に位置する原稿Ｐより順次給送される。原稿Ｐは、ローラ対１０５、１０８により搬送されながら、画像読取センサ１０６、１０７で原稿Ｐが読み取られる。その後、原稿Ｐは、排出原稿積載部１０９に排出する。

図７（Ｂ）が示すように、カバーユニット１０２は、画像読取装置１００の本体に対して開閉可能に構成されている。たとえば、カバーユニット１０２は、回転ヒンジ１１３により本体に接続されている。このように、カバーユニット１０２は、給紙口に設けられ、シート材給送装置の本体に対して開閉する開閉部材として機能する。

ところで、原稿積載台１０１に、ステイプルやクリップ等によって束状に綴じられた原稿束が積載されてしまうことがある。この場合も、画像読取装置１００は、この原稿束の最も下の原稿を１枚に分離して給送しようとする。その結果、給送ローラ１０４によって給送されると、原稿束は、綴じられた部分を中心に捲れ上がるように回転し、皺ができたり、破れたり、または、原稿束の全体が回転して歪んだ異常形状になったりすることがある。よって、ステイプルやクリップ等の金属片を金属検知装置１０で検知したときは、給送ローラ１０４の回転を停止させることにする。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）および図８に示すように、原稿給送部（給紙口）付近に、ステイプルやクリップ等を検知するための金属検知装置１０の主検知コイル１１と副検知コイル回路１８の副検知コイル１２を配置する。図８が示すように、金属のステイプルによって複数の原稿Ｐが原稿束として綴じられている。

なお、図８に示すように、給送口付近に楕円形コイルとして主検知コイル１１と副検知コイル１２を配置する。つまり、金属検知装置による金属検知領域は、給送口の幅方向に亘って連続的に配置されている。このように、給送口付近に金属検知装置１０を配置することで、ステイプル１２０を効率よく検知することができる。ＣＰＵ１７は、共振周波数の変化からステイプルやクリップ等の侵入を検知すると、給送ローラ１０４を駆動するモータを停止させる。このように、ＣＰＵ１７は、金属検知装置が金属を検知するとシート材の搬送を実行せず、金属検知装置が金属を検知していなければシート材の搬送を実行する給送制御手段として機能する。これにより、画像読取装置１００の内部にステイプルやクリップ等が侵入することを抑制できる。また、本実施例により金属検知範囲が従来よりも拡大するため、画像読取装置１００の給送口の開口サイズ程度内で、必要十分な金属検知感度を確保できる。

画像読取装置１００のカバーユニット１０２は回転ヒンジ１１３によって開閉する。そのため、画像読取装置１００の本体と電気的な回路接続本数を増やすことは、製造上の手間であり、コストアップの要因になる。本発明の金属検知装置１０は、電気的に接続を必要としない副検知コイル回路１８を開閉部可動側（カバーユニット１０２）に設置できる。そのため、回路接続本数を増やすことなく、製造上の負担も小さく、かつ、コストアップを小さくしつつ、ステイプルやクリップ等の微小な金属を検知可能なシート材給送装置を実現できる。

Claims

主検知コイルと、
前記主検知コイルに対向配置した副検知コイルと、
前記主検知コイルと前記副検知コイルとによる合成インダクタンスを利用して共振する自励起式共振回路と、
を備え、
前記自励起式共振回路の共振周波数の変化により金属を検知することを特徴とする金属検知装置。
前記主検知コイルをシールドする非磁性導電部材の第１シールド部をさらに備え、前記第１シールド部が接地されていることを特徴とする請求項１に記載の金属検知装置。
前記第１シールド部を網状の部材で形成したことを特徴とする請求項２に記載の金属検知装置。
前記副検知コイルをシールドする非磁性導電部材の第２シールド部をさらに備え、前記第２シールド部が接地されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の金属検知装置。
前記第２シールド部を網状の部材で形成したことを特徴とする請求項４に記載の金属検知装置。
前記副検知コイルが前記主検知コイルに対して接離可能に構成され、自励起式共振周波数の変化で、接離状態を検知することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の金属検知装置。
前記副検知コイルの接離で金属検知する際の閾値周波数を変更することを特徴とする請求項６の金属検知装置。
前記副検知コイルに接続した共振用コンデンサを有する副検知コイル回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の金属検知装置。
前記副検知コイル回路を移動する移動手段をさらに備え、前記移動手段によって前記副検知コイル回路が移動することで前記主検知コイルと前記副検知コイル回路との間の距離を可変としたことを特徴とする請求項８に記載の金属検知装置。
前記自励起式共振回路の共振周波数が所定の範囲から外れたかどうかを判定する判定手段と、
前記自励起式共振回路の共振周波数が所定の範囲から外れたと前記判定手段が判定すると、前記主検知コイルのみで金属を検知するための第１の金属検知基準を使用し、前記自励起式共振回路の共振周波数が前記所定の範囲から外れていないと前記判定手段が判定すると、前記主検知コイルと前記副検知コイル回路とで金属を検知するための第２の金属検知基準を使用する検知手段と
を備えたことを特徴とする請求項９に記載の金属検知装置。
シート材給送装置であって、
シート材を受け入れる給送口と、
前記給送口から装置の本体内にシート材を給送する給送手段と、
前記給送口に設けられた、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の金属検知装置とを備え、
前記金属検知装置による金属検知領域は、前記給送口の幅方向に亘って連続的に配置されることを特徴とするシート材給送装置。
シート材給送装置であって、
シート材を受け入れる給送口と、
前記給送口から装置の本体内にシート材を給送する給送手段と、
前記給送口に設けられた、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の金属検知装置と、
前記金属検知装置が金属を検知すると前記シート材の給送を実行せず、前記金属検知装置が金属を検知していなければ前記シート材の給送を実行する給送制御手段と
を備えたことを特徴とするシート材給送装置。
前記給送口に設けられ、前記シート材給送装置の本体に対して開閉する開閉部材をさらに備え、
前記金属検知装置の主検知コイルは前記本体に取り付けられており、
前記金属検知装置の副検知コイル回路は前記開閉部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１１に記載のシート材給送装置。
請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載のシート材給送装置をシート材給送機構として備えたことを特徴とする画像読取装置。