JP2016099218A

JP2016099218A - 金属体検出装置

Info

Publication number: JP2016099218A
Application number: JP2014236181A
Authority: JP
Inventors: 勲甲斐; Isao Kai
Original assignee: Sensatec Co Ltd
Current assignee: Sensatec Co Ltd
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-05-30

Abstract

【課題】非磁性金属や磁性金属といった材質に拘わらず、金属体の検出面積が細小であっても、比較的長い検出距離で安定して高感度に金属体を検出することができ、安価に製作することが可能である装置を提供する。【解決手段】金属体２２が検出用発振コイル２０に接近するのを検出するＬＣ発振回路からなる検出用発振回路１４と、対照用発振回路１６と、検出用発振回路の発振周波数と対照用発振回路の発振周波数とを混合し検波し平滑化して、発振コイルへの金属体の接近に伴って上昇する検出用発振回路の発振周波数と対照用発振回路の固定された発振周波数との差を示す低周波の周波数を検出する周波数差検出回路部１８と、周波数差検出回路部から出力される検出周波数の変化から金属体の接近を判別する判別回路部とを備えて装置を構成した。【選択図】図１

Description

この発明は、金属体を検出する金属体検出装置に関し、特に、発振回路を用いて非磁性金属体や細小な磁性金属体を高感度に比較的長い離間距離でも検出することができる検出装置に関する。

金属体の検出器具としては、高周波発振回路を用い、その発振コイルを介して高周波の電磁波を金属体に照射し、照射された金属体で発生する高周波の渦電流を利用して、その高周波渦電流の損失量を高周波発振回路の発振ゲインの低下として捉え、発振ゲインが一定量だけ低下したときに検出信号を出力する、といった近接スイッチが一般的に使用されている。ところが、このような高周波渦電流損失を利用した近接センサでは、高周波渦電流損失が大きい材質である磁性金属に対しては検出距離が長くなるが、導電性が高く高周波渦電流損失が少ない材質である非磁性金属に対しては検出距離が短くなる。このため、例えば現金自動預け払い機（ＡＴＭ）においては、アルミニウムや銅あるいはその合金の非磁性金属で出来ている硬貨の検出を行うことができない、といった問題がある。また、磁性金属についてみても、被検出体である金属体における検出面積が細小である場合には、検出距離を長くすることができない、といった問題がある。さらに、高周波渦電流損失を利用した近接センサでは、その特性上、検出感度が非常に高いものを製作することが困難である、といった問題もある。

そこで、現金自動取引装置において、硬貨収納部の底板にアンテナとアース電極とを設け、硬貨がアース電極と接触している場合に硬貨とアンテナとが仮想的なコンデンサを形成する構成とし、アンテナに電圧を印加したときの仮想的なコンデンサの静電容量の違いによって生じる電圧差を検出回路により検出して、硬貨があるか否かを判定することにより硬貨の存在を検出する硬貨検出装置が提案されており、このような検出装置を硬貨の入出金処理装置や硬貨識別装置などとして利用することが提示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、検出コイルにパルス状の励磁電流を周期的に流し、励磁電流の遮断後に検出コイルに誘起される電圧を検出信号として利用する近接センサであって、励磁電流の供給期間が励磁電流の遮断期間以上となるように制御することにより、非磁性金属と磁性金属との材質の違いによる金属体の検出距離の変動を抑制し、また、非磁性金属体の厚さの違いによる検出距離の変動を抑制できるようにした近接スイッチが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００８−２６２４１２号公報（第６−９頁、図３）特開２００９−５９５２８号公報（第４−１０頁、図１−図３）

しかしながら、従来、種々提案されている金属体検出方式によっては、非磁性金属に対しても磁性金属と同等の検出距離が確保されるだけでなく、磁性金属であっても細小な金属体を比較的長い検出距離で高感度に検出することができる金属体検出装置や近接スイッチを製作することは困難であった。また、従来の検出方式では、金属体を高感度で安定して検出することができる信頼性の高い金属体検出装置や近接スイッチを製作することが非常に難しく、特に、ＡＴＭなどにおける硬貨の検出を行う場合において、硬貨を搬送する搬送路の通過幅が広いときに検出感度の低い検出器では、その通過幅に合わせて複数の検出器を並列して設置しなければならない。このため、検出幅に応じた多数の検出器が必要となり、装置コストが高くなる、といった問題がある。

この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、非磁性金属や磁性金属といった材質に拘わらず、また、金属体の検出面積が細小であっても、比較的長い検出距離で安定して高感度に金属体を検出することができ、検出すべき金属体が通過する経路の幅が広い場合にも、比較的少ない数の検出部によって金属体の検出が可能であり、このため安価に製作することができる金属体検出装置を提供することを目的とする。

この発明では、上記目的を達成するために、金属体を検出するための検出回路としてＬＣ発振回路を用い、そのＬＣ発振回路の発振コイルを金属体検出用の検出コイルとし、検出用発振コイルに金属体が接近することに伴って発振回路の発振周波数が高くなることを利用して、金属体の検出を行うようにした。
すなわち、請求項１に係る発明は、発振回路を用いて金属体が設定位置に接近することを検出する金属体検出装置において、検出用の発振コイルが前記設定位置に配置され所定の発振周波数の信号波を発生させるＬＣ発振回路からなる検出用発振回路と、この検出用発振回路と同一のまたは異なる発振周波数の信号波を発生させる対照用発振回路と、前記検出用発振回路の発振周波数と前記対照用発振回路の発振周波数とを混合して、検出用発振回路の発振コイルへの金属体の接近に伴って上昇する検出用発振回路の発振周波数と対照用発振回路の固定された発振周波数との差分を検出する周波数差検出手段と、この周波数差検出手段によって検出された周波数差の変化から前記設定位置への金属体の接近を判別する判別手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の検出装置において、対照用発振回路が発生する信号波の発振波形を正弦波としたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の検出装置において、検出用発振回路から結合コンデンサを介して入力される発振周波数と対照用発振回路から別の結合コンデンサを介して入力される発振周波数とを混合する混合回路と、この混合回路から出力される信号波形を検波する検波回路と、この検波回路から出力される信号波形を平滑化して高周波分を除去する平滑回路と、この平滑回路から出力される信号波形を増幅する増幅回路と、この増幅回路から出力される信号波形から、前記検出用発振回路の発振周波数と前記対照用発振回路の発振周波数との周波数差を示す信号波形を作成する波形整形回路とにより、周波数差検出手段を構成したことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の検出装置において、対照用発振回路の回路方式を検出用発振回路と同一のＬＣ発振回路とし、そのＬＣ発振回路の発振コイルを、金属体が接近することのない非検出発振コイルとしたことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の検出装置において、検出用発振回路の検出用発振コイルに金属体が接近しない状態における検出用発振回路の発振周波数を、対照用発振回路の固定された発振周波数と同一またはそれより高い発振周波数に設定したことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の検出装置において、判別手段により、周波数差検出手段によって検出された周波数差をＦ／Ｖコンバータで電圧に変換し、そのＦ／Ｖコンバータから出力される電圧信号の変化から、設定位置への金属体の接近を検出する検出信号を生成して、設定位置への金属体の接近を判別するようにしたことを特徴とする。

請求項１に係る発明の金属体検出装置においては、金属体が検出用発振回路の発振コイルに接近するのに伴って検出用発振回路の発振周波数が上昇するが、この高くなった発振周波数と対照用発振回路の固定された発振周波数との差分が周波数差検出手段によって検出され、この周波数差検出手段によって検出された周波数差の変化から設定位置への金属体の接近が判別手段により判別されて、金属体が設定位置に接近することが検出される。この場合において、検出用発振回路の発振周波数と対照用発振回路の発振周波数とを混合することによって発生する周波数差を示す周波数は、発振周波数より低い周波数であり、以下ではこれをビート周波数と言い、その信号波形をビート波形と言う。したがって、金属体が検出用発振回路の発振コイルに接近していないときのビート周波数と、金属体が発振コイルに接近したときのビート周波数とを比較することにより、設定位置への金属体の接近状態を正確に検知することができる。
このように、従来の検出方式とは異なり、検出用発振回路の発振コイルに金属体が接近したときに検出用発振回路の発振周波数が僅かに変化することを利用して金属体の検出を行うようにしている。そして、導電性が高くて高周波渦電流損失が小さい非磁性金属であっても、発振周波数の変化を生じるし、また、従来方式では検出が困難であった微小な金属体であっても、金属体の接近による周波数の微小な変化を生じる。したがって、この金属体検出装置を使用すると、非磁性金属や磁性金属といった材質に拘わらず、また、金属体の検出面積が細小であっても、比較的長い検出距離で安定して高感度に金属体を検出することができる。そして、２個の発振回路だけで検出部を構成することができるので、小形の金属体検出装置を簡易にかつ非常に安価に製作することが可能となる。

請求項２に係る発明の検出装置では、対照用発振回路の発振波形を正弦波とすることにより高調波を少なくすることができる。
ここで、正弦波を発生するＬＣ発振回路である検出用発振回路の発振周波数と対照用発振回路の発振周波数とを混合したときに高調波が多く含まれると、検出装置の品質や信頼性に対し大きな影響が及ぼされるので、そのような影響が出るのを避けるためには、それら高調波を除去する必要がある。高調波の除去のためには、一般的に用いられるアクティブフィルタ回路等の追加が必要となり、回路の複雑化を招くだけでなく形状を大型化することも必要となり、装置の製作コストも非常に高くなる。この検出装置では、高調波を少なくすることができるので、そのような問題点が無くなる。

請求項３に係る発明の検出装置では、検出用発振回路の発振周波数と対照用発振回路の発振周波数とが混合回路で混合され、この混合回路から出力される信号波形が検波回路で検波され、この検波回路から出力される信号波形が平滑回路で平滑化されて高周波分が除去される。
この場合において、検出用発振回路から出力される信号波形および対照用発振回路から出力される信号波形をそれぞれ別々の検波回路で検波した後に混合し平滑化するようにしても良いが、半波波形での混合には、検波ダイオードの影響もあって色々な高調波が含まれる。ところが、金属体の接近を検出する信号として使用される、検出用発振回路の発振周波数と対照用発振回路の発振周波数との周波数差を示すビート波形に複雑な高調波が含まれていると、検出信号としての信頼性や装置の品質が低下することとなる。この検出装置では、周波数混合した後に検波し平滑化しているので、検出周波数に高調波が含まれない。したがって、上記問題点が無くなり、また、検波回路が１回路で良いことになる。

請求項４に係る発明の検出装置では、環境・使用条件による影響を無くし、金属体をより安定して正確に検出することができる。
すなわち、一般的に発振回路の発振周波数は、温度の影響や電源投入後における時間の経過によるドリフトの影響を受け、検出用発振回路の発振コイルへの金属体の接近とは関係なく僅かな変化を生じる。この発振周波数の変化は、発振回路の方式や発振回路に用いられるパーツの各種定数によりそれぞれ異なった特性を持つ。この検出装置では、対照用発振回路の回路方式を検出用発振回路と同一のＬＣ発振回路としているので、検出用発振回路と対照用発振回路との間において、周波数変化特性の傾向が揃えられ相互に補正される。したがって、環境等による影響を受けて金属体の誤検出が発生する、といったことが避けられる。

請求項５に係る発明の検出装置では、判別手段による金属体の接近の判別が簡易になる。
ここで、金属体が検出用発振回路の発振コイルに接近するのに伴って検出用発振回路の発振周波数は高くなるが、検出用発振コイルに金属体が接近しない状態における検出用発振回路の発振周波数が、対照用発振回路の発振周波数より低く設定されていると、検出用発振回路の発振周波数と対照用発振回路の発振周波数との周波数差を示す検出周波数は、金属体が離間位置から検出用発振コイルに接近するのに従って、次第に小さくなって一旦０（ゼロ）となった後、反転して上昇することになる。このため、検出周波数の変化による金属体接近の判別が複雑になる。この検出装置では、検出用発振コイルに金属体が接近しない状態における検出用発振回路の発振周波数が対照用発振回路の発振周波数と同一またはそれより高く設定されているので、検出周波数は、金属体が検出用発振コイルに接近するのに従って上昇する一方であり、このため金属体接近の判別が簡易になる。

請求項６に係る発明の検出装置では、周波数差検出手段によって検出された周波数差がＦ／Ｖコンバータで電圧に変換され、その電圧信号を、例えば簡易にコンパレータを用いてスイッチング信号として出力し、あるいは、簡易に金属体の接近距離を示すアナログ信号として出力することにより、検出用発振コイルへの金属体の接近を判別することができる。このため、マイクロコンピュータ等の高価なパーツを使用する必要が無くなり、また、ソフト開発費用も不要となるので、装置の製作コストを安価にすることが可能になる。

この発明の実施形態の１例を示し、金属体検出装置の検出部の回路構成を示すブロック図である。図１に示した検出部を含む金属体検出装置の全体構成を示すブロック図である。図１および図２に示した金属体検出装置の構成要素の１つである金属体検出用の発振回路の発振コイル部の構成例を示す縦断面図である。図３に示した発振コイル部のポットコアの構成例を示す斜視図である。図１に示した検出部を構成する各回路から出力される信号波形を示す図である。検出用発振回路の発振コイルに金属体が接近した場合における発振周波数の変化を示す図である。検出用発振コイルに金属体が接近した場合における、金属体の接近距離と、検出用発振回路の発振周波数と対照用発振回路の発振周波数との周波数差を示す検出周波数との関係を示す図である。検出用発振コイルに金属体が接近していない状態における検出用発振回路の発振周波数が、それと混合される対照用発振回路の発振周波数と同一に設定された場合の、金属体の接近距離と検出周波数との関係を示す図である。検出用発振コイルに金属体が接近していない状態における検出用発振回路の発振周波数が、それと混合される対照用発振回路の発振周波数より高く設定された場合の、金属体の接近距離と検出周波数との関係を示す図である。検出用発振コイルに金属体が接近していない状態における検出用発振回路の発振周波数が、それと混合される対照用発振回路の発振周波数より低く設定された場合の、金属体の接近距離と検出周波数との関係を示す図である。検出周波数と、１００Ｈｚ＝２．５ＶのＦ／Ｖコンバータの出力電圧との関係を示す図である。検出用発振コイルに金属体が接近していない状態における検出用発振回路の発振周波数が、それと混合される対照用発振回路の発振周波数と同一に設定された場合の、金属体の接近距離と、１００Ｈｚ＝２．５ＶのＦ／Ｖコンバータにより変換された出力電圧との関係を示す図である。検出用発振コイルに金属体が接近していない状態における検出用発振回路の発振周波数が、それと混合される対照用発振回路の発振周波数より高く設定された場合の、金属体の接近距離と、１００Ｈｚ＝２．５ＶのＦ／Ｖコンバータにより変換された出力電圧との関係を示す図である。検出用発振コイルに金属体が接近していない状態における検出用発振回路の発振周波数が、それと混合される対照用発振回路の発振周波数より低く設定された場合の、金属体の接近距離と、１００Ｈｚ＝２．５ＶのＦ／Ｖコンバータにより変換された出力電圧との関係を示す図である。検出用発振コイルに金属体が接近した時に検出周波数が低下するように設定した場合の、金属体の接近距離と検出周波数との関係を示す図である。検出用発振コイルに金属体が接近した時に検出周波数が低下するように設定した場合の、金属体の接近距離と、１００Ｈｚ＝２．５ＶのＦ／Ｖコンバータにより変換された出力電圧との関係を示す図である。

以下、この発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
この金属体検出装置は、図２に示すように、検出部１０と判別回路部１２とから構成され、検出部１０は、図１に示すように、２つの発振回路１４、１６と周波数差検出回路部１８とを備えて構成されている。

２つの発振回路のうちの一方は、所定の発振周波数ＦＤの信号波を発生させるＬＣ発振回路で構成された検出用発振回路１４である。この検出用発振回路１４の発振コイル２０は、金属体２２を検出するための検出用コイルであり、硬貨等の金属体２２の検出を行うために設定された位置に配置される。検出用発振回路１４を構成するＬＣ発振回路の発振波形は、高調波分が少ない正弦波であり、ＬＣ発振回路としては、一般的に良く知られているコルピッツ発振回路やハートレー発振回路が用いられる。また、検出用発振回路１４の発振コイル２０は、微小な周波数の変化を捉えて検出信号とするので、装置の周辺外部にある金属体や電磁波の影響を受けないようにするため、図３に示すように、コイルボビン２４に巻かれた発振コイル２０における金属体２２の検出面以外の面が、フェライトで形成されたポットコア２６により電磁シールドされて、ケース２８に収納されている。図４は、ポットコア２６の斜視図である。

２つの発振回路のうちのもう一方は、検出用発振回路１４と同一のまたは異なる固定された発振周波数ＦＫの信号波を発生させる対照用発振回路１６である。この対照用発振回路１６は、その発振周波数ＦＫが検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤと混合されて、検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤとの差分を検出するために設けられる。この場合において、正弦波を発生するＬＣ発振回路である検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤと対照用発振回路１６の発振周波数ＦＫとを混合したときに含まれる高調波を少なくするためには、対照用発振回路１６が発生する信号波の発振波形を正弦波とすることが好ましい。なお、対照用発振回路１６を安価で簡易なインバータ発振回路を用いて構成することもできるが、インバータ発振回路には大きな高調波が含まれ、僅かな周波数変化を検出するためには、高調波に含まれる色々な周波数を排除しなければならない。このためには、複雑な周波数を処理するアクティブフィルタ回路等を必要とするので、回路構成が複雑化し、検出装置の製作コストも高くなる。したがって、対照用発振回路１６が発生する信号波の発振波形は、これを正弦波とすることが好ましい。

また、検出用発振回路１４を構成するのに如何なるＬＣ発振回路を用いても、電源ドリフトや温度ドリフトの影響を受け、例えば０．０２％の周波数変化を安定して検出することができるような発振回路の周波数安定化を図ることは極めて困難である。そこで、対照用発振回路１６の回路方式は、これを検出用発振回路１４と同一のＬＣ発振回路とすることが好ましい。この場合にあっては、そのＬＣ発振回路の発振コイルは、金属体が接近することのない非検出発振コイルとされる。さらに、検出用発振回路１４および対照用発振回路１６の各発振周波数も、凡そ同一の周波数に設定することが好ましく、その場合にはそれぞれ発振回路定数もほぼ同一となる。このような構成とすることにより、検出用発振回路１４と対照用発振回路との間において、周波数変化特性の傾向が揃えられ相互に補正されることとなる。この結果、温度の影響や電源投入後における時間の経過によるドリフトの影響を受けることが避けられ、検出用発振コイル２０への金属体２２の接近によって生じる極めて少ない周波数変化を捉え、信頼性の高い安定した高感度の検出信号を出力することができる。このため、極めて小さな金属体の検出や広範囲エリアでの金属体通過の監視を行うことが可能となる。

周波数差検出回路部１８は、検出用発振回路１４から結合コンデンサ３０を介して入力される発振周波数ＦＤと対照用発振回路１６から結合コンデンサ３２を介して入力される発振周波数ＦＫとを混合する混合回路３４、この混合回路３４から出力される信号波形を検波する検波回路３６、この検波回路３６から出力される信号波形を平滑化して高周波分を除去する平滑回路３８、この平滑回路３８から出力される信号波形を増幅する増幅回路４０、および、この増幅回路４０から出力される信号波形から、検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤと対照用発振回路１６の発振周波数ＦＫとの周波数差を示す信号波形を作成する波形整形回路４２から構成されている。なお、検出用発振回路１４から出力される信号波形および対照用発振回路１６から出力される信号波形をそれぞれ別々の検波回路で検波した後に混合し平滑化する回路構成とすることもできるが、半波波形での混合には、検波ダイオードの非直線特性やダイオードの順方向残留電圧等の影響もあって、混合後の波形には複雑な高調波が含まれ、検出信号としての信頼性や装置の品質の低下を招く原因となる。したがって、この実施形態のように、検出用発振回路１４から結合コンデンサ３０を介して入力される発振周波数ＦＤと対照用発振回路１６から結合コンデンサ３２を介して入力される発振周波数ＦＫとを混合回路３４で混合し、その後に検波回路３６で検波し、続いて平滑回路３８で平滑化する回路構成とすることが好ましい。

判別回路部１２は、周波数差検出回路部１８において検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤと対照用発振回路１６の発振周波数ＦＫとを混合して検出された周波数差を示す検出周波数（ビート周波数）ＦＭの変化から、検出用発振コイル２０への金属体２２の接近を判別する。この判別回路部１２は、周波数差検検出回路部１８によって検出された検出周波数ＦＭを電圧に変換するＦ／Ｖコンバータ回路４４を備えている。このＦ／Ｖコンバータ回路４４から出力される電圧信号は、例えば、コンパレータ回路４６において予め設定された電圧値と比較され、設定値以上の電圧、したがって設定値以上の検出周波数ＦＭに変化しているときに、パワー増幅回路４８を経て、金属体の検出信号としてスイッチングされ、デジタル信号として出力される。あるいは、検出用発振コイル２０に対する金属体２２の接近位置をアナログ的に感知し、検出装置の外部から自由にスイッチングレベルを制御したいような場合には、図２中に二点差線で示すように、Ｆ／Ｖコンバータ回路４４から出力される電圧信号を直接に、金属体の接近距離を示すアナログ信号として出力することもできる。

なお、周波数差検出回路部１８から出力される検出周波数ＦＭの変化を、マイクロコンピュータ等を用いてデータ処理することにより、金属体２２の接近を判別することも可能である。但し、金属体検出装置を使用して金属体の検出を行う場合には、高い検出応答スピードが要求されるが、マイクロコンピュータによる周波数変化の検出には長時間のステータスタイムを必要とするので、クロック周波数がかなり高いマイクロコンピュータを使用しても、検出応答スピードの速い金属検出装置を製作することは非常に困難であり、また装置の製作コストも非常に高価なものとなる。これに対し、Ｆ／Ｖコンバータは、周波数１サイクルごとに周波数を電圧に変換することができ、応答スピードの速い金属検出装置を製作することができるので、実施形態に示すように、Ｆ／Ｖコンバータ回路４４を設けて検出周波数ＦＭを電圧に変換する回路構成とすることが好ましい。

次に、上記したように構成された金属体検出装置における処理動作や検出原理について具体的に説明する。
最初に、検出部１０の各処理回路における信号処理について図５を参照しながら説明する。
検出部１０の検出用発振回路１４の出力側のＡ１点における信号波形を図５の（Ａ１）に示し、対照用発振回路１６の出力側のＡ２点における信号波形を図５の（Ａ２）に示す。これらの検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤと対照用発振回路１６の発振周波数ＦＫとが、それぞれ結合コンデンサ３０、３２を介して混合回路３４に入力されて混合されると、混合回路３４の出力側のＢ点では、図５の（Ｂ）に示すように、ビート波形状で高周波の波高値が変化する信号波形が発生する。この信号波形を検波回路３６で検波すると、検波回路３６の出力側のＣ点において、図５の（Ｃ）に示すように、波高値が変化する高周波で構成される半波状のビート波形に加工された信号波となる。この加工された信号波形を平滑回路３８で平滑化すると、平滑回路３８の出力側のＤ点において、図５の（Ｄ）に示すように、正弦波状の脈流波形の信号波が発生する。この脈流電圧信号は、直流バイアス電圧を含んでいるので、結合コンデンサ５０を用いて直流分をカットし、増幅回路４０で交流分のみを増幅すると、増幅回路４０の出力側のＥ点において、図５の（Ｅ）に示すように、ＧＮＤからＶＣＣまで変化する直流のパルス状波形が得られる。このパルス状波形には、僅かではあるが発振周波数の高周波分が含まれるので、パルス数を計数して金属体の接近信号とするときに誤動作の要因となることを避けるために、波形整形回路４２で波形整形して、波形整形回路４２の出力側のＦ点において、図５の（Ｆ）に示すように、立上りおよび立下りの鋭いパルス波形の信号波とし、これを検出周波数として検出部１０から出力している。

発振回路１４、１６に説明を戻して、検出用発振回路１４は、例えば発振周波数が数１００ｋＨｚ〜数１０００ｋＨｚで発振波形が正弦波である信号波を発生させている。このような発振状態において、検出用発振コイル２０に金属体２２が接近してくると、発振コイル２０と金属体２２との間の距離、金属体２２の材質や大きさなどによって程度は異なるが、金属体２２の表面において渦電流が発生する。そして、渦電流によって電磁波が発生し、その電磁波が金属体２２から発振コイル２０に反射される。このとき、発振コイル２０のインダクタンスＬは、見掛け上において小さくなり、検出用発振回路１４の発振周波数が僅かに上昇する。

ここで、発振コイル２０に金属体２２が接近していない状態における検出用発振回路１４の発振周波数をＦＤ_０とし、検出用発振回路１４のコンデンサの容量をＣとした場合において、発振周波数ＦＤ_０は、数１の式で表されるので、発振コイル２２のインダクタンスがＬからΔＬだけ低下したとすると、検出用発振回路１４の発振周波数の変化ΔＦは、数２の式で表される。したがって、検出用発振回路１４の発振周波数は、ＦＤ_０からΔＦだけ高くなる。

例えば図６に示すように、発振コイル２０に金属体２２が接近していない状態における検出用発振回路１４の発振周波数が５００．００ｋＨｚであり、金属体２２、例えば非磁性金属である硬貨が発振コイル２０の前面１０ｍｍまでの距離に接近したときに検出用発振回路１４の発振周波数が５００．１０ｋＨｚに上昇したとすると、検出用発振回路１４の発振周波数の上昇分ΔＦは０．１０ｋＨｚ（＝１００Ｈｚ）である。したがって、検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０＝５００ｋＨｚに対する発振周波数の上昇分ΔＦ＝１００Ｈｚの比率は、（０．１÷５００）×１００％であるから、その変化率は０．０２％に過ぎない。このため、検出用発振回路１４の発振周波数の変化を直接に検出信号とすることは技術的にみて不可能である。

この金属体検出装置においては、検出部１０において上記したような信号処理を行い、検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤと対照用発振回路１６の発振周波数ＦＫとの周波数差を示す検出周波数ＦＭを得て、これを検出部１０から出力するようにしている。したがって、例えば対照用発振回路１６の固定された発振周波数ＦＫが、検出用発振コイル２０に金属体２０が接近しない状態における検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤと同一周波数の５００ｋＨｚであるとすると、検出周波数ＦＭは、検出用発振コイル２０に金属体２０が接近していないときは０Ｈｚ近辺の周波数となり、金属体２２が発振コイル２０の前面１０ｍｍまでの距離に接近したときは１００Ｈｚとなって、検出周波数ＦＭは０Ｈｚから１００Ｈｚへと大きく変化することになるので、検出周波数ＦＭの変化から金属体２０の接近を検出することが可能となる。図７に、金属体の接近距離に対する検出周波数の変化の状態を示す。

図７に示したような検出周波数ＦＭの変化は、そのままでは検出信号として制御用に用いることは非常に難しい。そこで、図２に示すように、判別回路部１２のＦ／Ｖコンバータ回路４４により、検出周波数ＦＭの変化をアナログの電圧の変化に変換するようにしている（図１２〜図１４参照）。そして、Ｆ／Ｖコンバータ回路４４から出力される電圧信号をコンパレータ回路４６で所定の設定電圧と比較し、設定値以上の電圧の変化があったときに、金属体の検出信号としてスイッチングさせデジタル信号として出力するなどしている。

次に、検出用発振コイル２０に金属体２２が接近しない状態における検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０の設定値と、対照用発振回路１６の固定された発振周波数ＦＫとの大小関係による検出周波数および出力電圧の変化について説明する。

最初に、金属体２２が検出用発振コイル２０に接近していない待機状態においては、検出部１０から出力される検出周波数（ビート周波数）ＦＭ_０と、検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０および対照用発振回路１６の発振周波数ＦＫ（一定値）との関係は、ＦＭ_０＝ＦＤ_０−ＦＫ、ＦＫ＝ＦＤ_０−ＦＭ_０となる。次に、金属体２２が検出用発振コイル２０に接近したときは、検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤがＦＤ_０からΔFだけ増加した周波数となり（ＦＤ＝ＦＤ_０＋ΔF）、検出周波数ＦＭと発振周波数ＦＤ、ＦＫとの関係は、ＦＭ＝ＦＤ−ＦＫ＝ＦＤ_０＋ΔF−ＦＫとなる。ＦＫ＝ＦＤ_０−ＦＭ_０であるから、ＦＭ＝ＦＤ_０＋ΔF−ＦＤ_０＋ＦＭ_０＝ＦＭ_０＋ΔＦとなる。

上記したように、金属体２２が検出用発振コイル２０に接近するとＦＭ＝ＦＭ_０＋ΔＦとなることから、検出周波数ＦＭは、金属体２２が検出用発振コイル２０に接近していない待機状態における検出周波数ＦＭ_０から検出周波数分だけプラス側に増加することが分かる。ところが、実際に発生している検出周波数（ビート周波数）ＦＭにはプラスやマイナスの波形が無く、絶対値の周波数が発生するだけである。したがって、金属体２２が検出用発振コイル２０に接近する場合において、検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０と対照用発振回路１６の発振周波数ＦＫとが等しい（ＦＤ_０＝ＦＫ）ときは、検出周波数ＦＭがゼロからの変化となり、検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０が対照用発振回路１６の発振周波数ＦＫより高い（ＦＤ_０＞ＦＫ）ときは、検出周波数ＦＭはプラス側に変化し、一方、検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０が対照用発振回路の発振周波数ＦＫより低い（ＦＤ_０＜ＦＫ）ときは、検出周波数ＦＭはマイナス側に変化することとなる。

すなわち、
１）ＦＤ_０＝ＦＫの場合、検出周波数ＦＭは、周波数ゼロの状態から金属体の接近に伴ってΔFだけ増加した周波数となる。この条件における金属体との距離と検出周波数との関係を図８に示す。
２）ＦＤ_０＞ＦＫの場合、検出周波数ＦＭは、待機状態のビート周波数ＦＤ_０とＦＫとの周波数差に相当する周波数から金属体の接近に伴ってΔFだけ加算された周波数に増加する。この条件における金属体との距離と検出周波数との関係を図９に示す。
３）ＦＤ_０＜ＦＫの場合、検出周波数ＦＭは、周波数ＦＭ_０の状態から金属体の接近に伴ってΔFだけ減算された周波数に減少した後、ＦＤ＝ＦＫとなると一旦ゼロとなり、さらに金属体が接近すると、検出周波数ＦＭは増加することとなる。この条件における金属体との距離と検出周波数との関係を図１０に示す。

ＦＤ_０＜ＦＫの場合には、図１０から分かるように、金属体との各距離に対して検出周波数の値が１つだけにはならないため、金属体の検出信号を正常に出力することが難しい。この問題を避けるためには、金属体の接近していない待機状態における検出用発振回路１４の発振周波数ＦＤ_０は、対照用発振回路１６の発振周波数ＦＫに対してＦＤ_０≧ＦＫとなるように設定することが望ましい。

一般的に、周波数の入力を電圧出力に変換するＦ／Ｖコンバータは、図１１に検出周波数と出力電圧との関係を示すように、入力周波数と出力電圧とが比例するように設計されている。図８〜図１０に示した金属体との距離と検出周波数との関係を、金属体との距離とＦ／Ｖコンバータ回路４４の出力電圧との関係に変換したものを図１２〜図１４にそれぞれ示す。ところで、金属体の接近によって検出周波数を低下させ、それに伴い出力電圧を低下させて使用しなければならない場合も多い。この場合には、金属体２２が検出用発振コイル２０に密着したときの検出用発振回路１４の発振周波数をＦＤmaxとして、周波数ＦＤmax≪ＦＫに設定するとよいが、金属体の接近による発振周波数は２乗、３乗と急激に変化するので実用的ではない。そこで、使用される検出距離近辺で（凡そ１０ｍｍと仮定して）、そのような特性を持たせることは不可能ではない。このような場合の金属体の接近によって検出周波数が低下するときの関係を図１５に示し、それを金属体との距離と出力電圧との関係に変換したものを図１６に示す。

この発明は、非磁性金属で出来ている硬貨を取り扱うＡＴＭ等の金銭取扱機や、極めて小さな金属体の検出や広範囲エリアでの金属体通過の監視を行う産業機械などの分野において利用されるものである。

１０検出部
１２判別回路部
１４検出用発振回路
１６対照用発振回路
１８周波数差検出回路部
２０検出用の発振コイル
２２金属体
３０、３２、５０結合コンデンサ
３４混合回路
３６検波回路
３８平滑回路
４０増幅回路
４２波形整形回路
４４Ｆ／Ｖコンバータ回路
４６コンパレータ回路
４８パワー増幅回路

Claims

発振回路を用いて金属体が設定位置に接近することを検出する金属体検出装置において、
検出用の発振コイルが前記設定位置に配置され所定の発振周波数の信号波を発生させるＬＣ発振回路からなる検出用発振回路と、
この検出用発振回路と同一のまたは異なる発振周波数の信号波を発生させる対照用発振回路と、
前記検出用発振回路の発振周波数と前記対照用発振回路の発振周波数とを混合して、検出用発振回路の発振コイルへの金属体の接近に伴って上昇する検出用発振回路の発振周波数と対照用発振回路の固定された発振周波数との差分を検出する周波数差検出手段と、
この周波数差検出手段によって検出された周波数差の変化から前記設定位置への金属体の接近を判別する判別手段と、
を備えたことを特徴とする金属体検出装置。
前記対照用発振回路が発生する信号波の発振波形は正弦波である請求項１に記載の金属体検出装置。
前記周波数差検出手段は、
前記検出用発振回路から結合コンデンサを介して入力される発振周波数と前記対照用発振回路から別の結合コンデンサを介して入力される発振周波数とを混合する混合回路と、
この混合回路から出力される信号波形を検波する検波回路と、
この検波回路から出力される信号波形を平滑化して高周波分を除去する平滑回路と、
この平滑回路から出力される信号波形を増幅する増幅回路と、
この増幅回路から出力される信号波形から、前記検出用発振回路の発振周波数と前記対照用発振回路の発振周波数との周波数差を示す信号波形を作成する波形整形回路と、
から構成された請求項１または請求項２に記載の金属体検出装置。
前記対照用発振回路の回路方式は、検出用発振回路と同一のＬＣ発振回路であり、そのＬＣ発振回路の発振コイルは、金属体が接近することのない非検出発振コイルである請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の金属体検出装置。
前記検出用発振回路の検出用発振コイルに金属体が接近しない状態における検出用発振回路の発振周波数は、前記対照用発振回路の固定された発振周波数と同一またはそれより高い発振周波数に設定された請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の金属体検出装置。
前記判別手段は、
前記周波数差検出手段によって検出された周波数差をＦ／Ｖコンバータで電圧に変換し、そのＦ／Ｖコンバータから出力される電圧信号の変化から、前記設定位置への金属体の接近を検出する検出信号を生成するものである請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の金属体検出装置。