JP3942580B2 - 金属検出器および金属検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、建築構造物や地盤等の媒質中に埋設された金属の有無、およびその金属の埋設位置、深さおよび径を測定する金属検出器および金属検出方法に関する。

金属などの導電性物体を探知するには、物体が存在する領域に向けて励磁コイルにより磁界を発生させ、励磁コイルとそれら物体との磁気誘導作用から、前記励磁コイルのインピーダンスの変化や誘起電圧を測定したり、あるいは付加した検出コイル等のセンサにて前記磁界の磁気変化を測定して行っている。

例えば特開平８−９４３０６号公報（特許文献１）には、パルス発生器に接続された複数の励磁コイルと、受信コイル、スイッチ回路を持った電圧増幅器によって構成され、励磁コイルにパルス電流を流し、誘導によって探知導電体に誘導電流を流し、励磁コイルに残留するエネルギーが充分に減衰した時点に動作するスイッチを持ち、励磁パルスに同期した同期増幅器によって検出コイルの端子電圧を検出する金属探知装置において、互いの励磁コイルの電流の相互作用によって探知導体から返送される信号がゼロになる条件を求め、この条件から探知導体までの距離を測定可能とした金属探知方法が開示されている。

特開平９−５４４７号公報（特許文献２）には、検出ループと、この検出ループの外側に位置する第１送信ループと、さらに第１送信ループの外側に位置する第２送信ループを有し、第１および第２送信ループに対し逆方向に、かつ所定校正環境内で検出ループ位置での磁場が相殺されるように励磁電流を通電し、検出ループから検出される電流データから周波数領域の電磁探査手法を用いて前記センサ部当接位置の地山または地下の比抵抗分布を測定する地下電磁探査装置が開示されている。

特開平８−９４３０６号公報 特開平９−５４４７号公報

導電体に変化する磁束が入射すると、導電体表面に渦電流が発生しその材質で決まる時定数で変化する磁界が生じる。この磁界変化をセンサで測り導電体の存在状況を知る。これが渦電流式測定方法であり、対象が、金属の位置、瑕や金属種別であったりする。

一方、建設業界では鉄筋コンクリート構造物の埋設鉄筋の位置、深さおよび径を知ることは重要である。従来から鉄筋の存在を探知する方法として、特許文献１および２に記載されたような、励磁コイルで励磁した磁界による電磁誘導作用を、励磁コイルのインピーダンス変化や誘起電圧として励磁コイルで、あるいは磁気の乱れとして別途センサで測定するものがある。

しかし鉄筋の位置についてはある程度の分解能で判定するものの、正確な鉄筋の表面までの深さ（かぶり厚）や径、さらに配筋方向についてはそれぞれを明確に判定できるものではなかった。

さらにセンサとして用いられる検出コイルも探知物の寸法に比して大きいものもあり、前記作用を検出コイルの巻回面の鎖交磁束の積分値として測定するため、分解能が悪かった。ことに近接した鉄筋の場合は、位置を明確に分離できなかった。

また、鉄筋径を計測するためにセンサ部を探知物から物理的に引き離し、元の位置と移動後の位置における計測結果の変化量を使用している。それゆえ計測に手数が掛かり誤差も多かった。

本発明は、このような従来の問題点を解消し、探知物である金属の深さと面積、あるいは径を一度に知ることができる金属検出器および金属検出方法を提供することを目的とするものである。

ある極性で変化する磁界中に導電体があると、その極性に従う渦電流による反射磁界が発生し、前記極性と逆の極性で変化する磁界中に導電体があれば、前記極性とは逆極性の反射磁界が発生する。この反射磁界を磁気センサで検出することにより、ある程度近接した導電体でも、それぞれが別の極性の磁界内にあれば、その反射磁界の極性の違いからそれぞれの分離判別が可能となる。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、主なる励磁コイルと２次的励磁コイルとにより複合磁界を発生し、測定対象に入射する磁束変化の極性や量を制御し、これによる反射磁界を、励磁コイル径以下であり、好ましくは小面積のさらに好ましくは実質的に点における磁界を検出する様に構成した検出コイルや磁気抵抗素子、ホール素子などの磁気センサで検出するものである。

具体的には、本発明の第１の構成は、ループ状の第一の励磁コイル、この第一の励磁コイルの外側に、曲率中心が前記第一の励磁コイルの中心線上に位置するように点対称に配置された、円弧状に湾曲した一対の第二の励磁コイル、および、前記第一の励磁コイルの中心線上に配置された少なくとも１つの磁気センサを有する探知ヘッドと、前記第一の励磁コイルと前記第二の励磁コイルに逆極性の電流を流す励磁電流発生手段と、前記磁気センサにより検知された信号に基づいて金属の位置を検出する信号処理手段とからなる金属検出器である。

この第１の構成において、主励磁磁界を発生する第一の励磁コイルと第一の励磁コイルの全周を囲わない第二の励磁コイルとによって合成励磁磁界を発生する構成とし、前記磁気センサで探知物からの反射磁界を測定する。
前記の特徴を有する第一の励磁コイルと、第二の励磁コイルと、磁気センサからなる探知ヘッドで探査面を掃引し、磁気センサの信号に基づいて信号処理することにより、探知物の位置標定を精度良く行え、探知物の存在方向を確定し、その特徴ある磁界によって探知物の表面までの深さ、さらに面積あるいは径を求めることができる。

本発明の第２の構成は、ループ状の第一の励磁コイル、この第一の励磁コイルの外側に、曲率中心が前記第一の励磁コイルの中心線上に位置するように点対称に配置された、円弧状に湾曲した一対の第二の励磁コイル、前記第二の励磁コイルに対して直交する状態に配置された一対の第三の励磁コイル、前記第一の励磁コイルの中心線上に配置された少なくとも一つの磁気センサ、および、前記第二並びに第三の励磁コイル対の中心線上に配置された複数の磁気センサを有する探知ヘッドと、前記第一の励磁コイルと前記第二および第三の励磁コイルに逆極性の電流を流す励磁電流発生手段と、前記磁気センサにより検知された信号に基づいて金属の位置を検出する信号処理手段とからなる金属検出器である。
この第２の構成においては、第二の励磁コイルに第三の励磁コイルを新しく導入し、さらに第二、第三の励磁コイルの中心に磁気センサを配置したものである。第二、第三の励磁コイルを適宜切替えて指向性のある励磁磁界を発生し、前記センサを配置している方向の反射磁界を検出する。これによって探知物の存在状況を明確に把握することができる。

本発明の第３の構成は、ループ状の第一の励磁コイル、この第一の励磁コイルの外側に、それぞれの中心線が前記第一の励磁コイルと同心となる円周上に位置するように配置された、複数の第四の励磁コイル、前記第一の励磁コイルの中心線上の異なる位置に配置された少なくとも一つの磁気センサ、および、前記第四の複数の励磁コイルの各々の中心線上の異なる位置に配置された複数の磁気センサを有する探知ヘッドと、前記第一の励磁コイルと前記第四の励磁コイルに逆極性の電流を流す励磁電流発生手段と、前記磁気センサにより検知された信号に基づいて金属の位置を検出する信号処理手段とからなる金属検出器である。
この第３の構成においては、第四の励磁コイル群の編成を変え、指向性のある特徴的な励磁磁界を前記励磁コイルの複数の分割方向に向けて発生できる構成とする。その反射磁界情報は、円周上に配置された磁気センサで取得される。これによって探知物の平面的な位置情報を得ることができる。

本発明の第４の構成は、前記本発明の第１から第３のいずれかの金属検出器を用いた金属検出方法であって、前記第一の励磁コイルと第二ないし第四の励磁コイルに互いに逆極性の励磁電流を流してそれぞれの励磁コイルにより磁界を発生させる工程と、前記磁界中に存在する金属である探知物による反射磁界を前記第一の励磁コイルの中心軸上に配置した磁気センサで検出する工程と、前記探知ヘッドを回転ないし移動させたときの前記磁気センサの出力信号の変化に基づいて、あらかじめ規定された演算式ないし参照テーブルから、前記探知物の深さおよび面積あるいは径を求める際に、前記励磁電流を増減可変して前記探知物からの反射磁界量の変化に基づいて、面積あるいはその径を求める工程と、前記反射磁界量の変化におけるオフセット量から、前記探知物の深さ決定時の誤差を補正することを特徴とする金属検出方法である。
この第４の構成においては、探知物の深さ決定における測定誤差を、次に続く径測定の工程における反射磁界のオフセット誤差を算出し適用することによって補正する。

本発明によれば、探知ヘッド部を構成する第一の励磁コイルと第二ないし第四の励磁コイルに互いに逆極性の電流を流してそれぞれの励磁コイルにより磁界を発生させ、これらの磁界中に存在する探知物の反射磁界を前記第一の励磁コイルの中心軸上に配置した磁気センサで検出し、前記探知ヘッド部を回転ないし移動させたときの磁気センサの出力信号の変化に基づいて、あらかじめ規定された検定曲線ないし参照テーブルから、前記探知物の位置、大きさを求めるようにしているので、前記探知物への複合磁界の入射磁束によって探知物の深さおよび面積あるいは径を一度に知ることができる。

また前記第二ないし第四の励磁コイルの配置あるいは編成が前記第一の励磁コイルを全周で囲わない構成であるため、発生磁界を特徴ある分布にできる。これにより探知物の方向や広がりを知ることが可能となる。

さらに金属棒の径の測定時の項目である反射磁界量の偏移から、金属棒の深さ測定値の補正を行うことが可能である。

また、金属物の材質が、反射磁界の減衰または位相特性から鉄系か非鉄系かについても判定できる。

さらに、単一の磁気センサであっても、探知ヘッド部の掃引により、金属棒の不連続部や異径部を測定値の変化から探知することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る金属検出器の構成を示すブロック図である。
図１において、１は探知ヘッド、２は第一の励磁コイル、３および３’は一対の第二の励磁コイル、４は第一の励磁コイルの中心線上の磁気センサ、４−１から４−４は後に説明する第二、第三の励磁コイルに対応する磁気センサ、５は励磁電流発生器、６は測定処理部、７は信号切替器、８は信号受信器、９は信号処理器、１０は励磁コイルリード線、１１は磁気センサリード線である。

図２は、探知ヘッド１の横断面図である。
図２において、２，３，３’は前記各励磁コイル、４および４−１〜４−４は磁気センサである。磁気センサ４’および４−１’〜４−４’は、コイルを交流励磁する場合、励磁磁界の影響を少なくする目的で、それぞれのセンサに対応して上下位置に配置し、差動接続動作させ励磁分を相殺する。１２は探知物である。
パルス励磁の場合には、上下いずれかの組のセンサのみを選ぶことも可能である。

励磁電流発生器５は、第一の励磁コイル２および第二の励磁コイル３，３’の励磁電流値を制御するとともに、後に説明する第二、第三および第四の励磁コイルの接続を変更する。 測定処理部６は、信号切替器７と信号受信器８と信号処理器９とからなり、信号切替器７は信号処理器９の指令により、複数の磁気センサ４，４’および４−１，４−１’〜４−４，４−４’の出力を切り替えて信号受信器８に送る。

信号受信器８は信号切替器７からの磁気センサ出力を受信し、終端インピーダンス調整を行う。
信号処理器９は励磁コイルに規定の電流を供給して励磁するように励磁電流発生器５を制御し、磁気センサ４，４’，４−１，４−１’〜４−４，４−４’の出力を信号受信器８から受信して測定し、信号処理しながら探知工程を制御する。

励磁電流発生器５は、第一の励磁コイル２、第二の励磁コイル３，３’にパルス電流または交流電流を供給し励磁する。

パルス電流の場合は、周期的な電流供給と遮断を行う。
このとき、信号処理器９は、遮断後の規定時間経過した磁気センサ４，４’，４−１，４−１’〜４−４，４−４’の信号振幅値を処理する。

交流電流の場合は、位相の反転した同一周波数の連続発信電流で励磁する。
このとき、信号処理器９は、前記センサ信号の交流振幅値および前記センサ信号と励磁電流の位相を計測し処理する。

以下に各形態について説明する。動作工程は第一の実施の形態におけるものが共通する基本動作であり、形態に特徴のある動作は、個別に特記する。

（第一の実施の形態）
この第一の実施の形態においては、探知ヘッド１は、図１に示した第一の励磁コイル２、第二の励磁コイル３，３’、磁気センサ４，４’とからなる構成とする。

（１）位置探知
励磁コイル２、３、３’に水平位置探知用の規定の励磁電流を設定する。
探知ヘッド１で探知面を掃引する。
探知物１２が、励磁コイル２の中心に来ると磁気センサ４，４’に最大値が出力される。

（２）配置方向探知
この位置で探知ヘッド１を平面内で回転させる。
磁気センサ４，４’に極大値と極小値が計測される。
極大値の回転角度において棒状探知物の存在方向と第二の励磁コイル３，３’の配置方向が平行となる。このとき、予め第二の励磁コイル３，３’の配置方向をマークしておけば便利である。次いで、探知ヘッド１を前記極小値の角度に戻す。

（３）前段階深さ測定
次に探知物深さ測定の工程では、励磁電流値が逐次更新される。
磁気センサ４，４’の検出値がゼロとなった時、合成磁界がゼロとなり、電流値が探知物１２の前段階表面深さを表している。

（４）前段階径測定
続いて工程は、棒状探知物の径測定に移る。
前記前段階電流値を中心にこれに限らないが、例えば１０％増減する。
このとき、磁気センサ４，４’でオフセットを持った正および負の反射磁界変化値が測定されるが、その測定値は探知物の径に依存する。図３は、探知物の深さと反射磁界との関係を、径をパラメータとして示したグラフである。前段階深さ測定で得られた深さと、磁気センサで測定した反射磁界とを求めることにより、棒状探知物の径が得られる。これを前段階径の値とする。

（５）深さオフセット補正
前記ゼロ磁界の領域における反射磁界変化量は、電流に対し略直線的であるので、前段階表面深さ電流値に対し（４）の工程で得られたオフセット値を用いて反射磁界ゼロ電流の補正を行う。この補正された電流値が、正しい深さ対応電流である。

（６）径オフセット補正
同じく（４）の前段階径測定での反射磁界量に対してもオフセット値を補正し、正しい変化幅量を決定する。

（７）材質判定
次に工程は、探知物の材質判定に移る。
励磁電流は、材質判定用に設定される。

パルス励磁の場合、励磁電流遮断後規定時間が経過した時の探知物１２の反射磁界量を測定する。
この測定値を信号処理器９に記憶されている材質評価値と比較して、探知物が非鉄系金属か鉄系金属か判定する。

また交流励磁のときは、反射磁界と励磁電流の位相を比較し材質評価値から材質の判定を行う。
これは非鉄系に比べ鉄系の材質は、反射磁界いわゆる渦電流の減衰に時間を要するという特性を用いたものである。

（８）径の決定
ここで判定した材質に対応した反射磁界量を、同じく反射磁界位相量を信号処理器９に記憶されている校正表に対応させて、前工程において測定した反射磁界変化量を材質に合致した径に相当する値として確定する。

（第二の実施の形態）
図４は、本発明の第二の実施の形態を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は斜視図である。
本実施の形態においては、第二の励磁コイル対３，３’と直交する位置に、第三の励磁コイル対１３，１３’を設けたものである。

第一の形態においては、探知物の存在方向を特定するために探知ヘッド１を回転するが、第二の実施の形態においては、第三の励磁コイル対１３、１３’を新たに設けることにより、第二の励磁コイル３、３’を９０度回転することと等価となる。したがって、第二の励磁コイル３，３’と第三の励磁コイル１３，１３’を切り替えることにより、探知ヘッド１の回転角を半減することができる。

このコイル構成では、第二および第三の励磁コイル対に対応して、第一の励磁コイル中心の円周上に各々２組の磁気センサ４−１，４−２，４−３，４−４（図１，２参照）を設けている。

これによって探知物の存在探知と平面位置決定および存在方向決定の簡素化を図ることができる。
第一の形態との違いを特記する。

（１）位置探知
今探知物１２が金属棒とする。探知ヘッド１が励磁コイル対３，３’あるいは励磁コイル１３、１３'のセンサ配置方向と直交する方向にある金属棒に接近すると、円周上の磁気センサ４−１〜４−４の、金属棒に近い磁気センサの出力値がまず負値となる。

これは第二および第三の励磁コイル３，３’，１３，１３’の励磁磁界により、その励磁コイルに対応した方向の探知物の負の反射磁界によるものである。
この負値を示すセンサ対方向に探知ヘッド１を移動させる。
金属棒が探知ヘッド１の中心に近づくにつれ、ヘッド中心のセンサの値が増し、中心に位置すると第一の実施の形態で例示したように最大値を示す。

さらに当該磁気センサ対に直交するセンサ対の極性が等しく出力値が最大になるように探知ヘッド１を回転および平面移動する。
このとき、直交する磁気センサ対の出力の絶対値が低い磁気センサ対の配置方向が金属棒の存在方向である。
これによって金属棒の平面位置と存在方向の決定がより正確に行える。

次に金属棒の方向と直交する位置の第二または第三の励磁コイル対を用い第一の実施の形態と同じく深さ径および材質判定を行う。

（第三の形態）
第二の形態を拡張し、探知物存在方向決定時の探知ヘッドの角度変更をさらに少なくすることを目的としたものである。

第二の形態では第二、第三の励磁コイル３，３’，１３，１３’を直交配置としたが、この実施の形態では、分割した第四の励磁コイルの中心線が第一の励磁コイルと同心となる円周上に配置し、各励磁コイルの接続を編成し、第二あるいは第三の励磁コイル対と同様の合成励磁コイルを形成する構成としたものである。
さらにセンサを円周上に複数配置するので探知物の平面位置決定を容易で正確に行える。

図５は、この第三の実施形態における探知ヘッド部の励磁コイルの配置を示す。
複数の第四の励磁コイルａ〜ｐを円周上に配置し各励磁コイルの接続を切り替えて、第一および第二の実施形態における第二の励磁コイル対３，３’によるものと同様の磁界を発生するように編成する。

例えば励磁コイルｂ〜ｇまでのグループと、ｊ〜ｏまでのグループとをまとめ、これらに励磁電流を流すと第一の実施形態と同じ動作となる。
あるいは、励磁コイル群の編成を変え分割角度ごとに励磁コイル対が順次移動するようにし、例えば励磁コイルｃ〜ｈのグループと励磁コイルｋ〜ｐまでのグループのように構成する。
また励磁コイルｃ〜ｆのグループと励磁コイルｋ〜ｎまでのグループとしても良い。

これら励磁コイルの編成は、信号処理器９の指示を受けた励磁電流発生器５が行う。
この実施形態に対応する磁気センサの構成は、図２のコイル巻回軸中心の磁気センサ４，４’と、磁気センサ４−1，４−１’，４−２，４−２’のように、第四の励磁コイル群のそれぞれの励磁コイルの位置に対応して設置し同心円状に配置した磁気センサとからなっている。
各磁気センサは、編成励磁コイル対により合成励磁されその結果の探知物よりの反射磁界を検出する。

本発明は、建築構造物や地盤等の媒質中に埋設された金属の有無、およびその金属の埋設位置、深さおよび径を正確に測定する金属検出器および金属検出方法として利用することができる。

本発明の第一の実施の形態の構成を説明するブロック図である。 本発明に係る探知ヘッド部の拡張した配置例を示す横断面図である。 反射磁界と探知物の深さの関係を、径をパラメータとして示したグラフである。 本発明の第二の実施の形態における探知ヘッド部を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は斜視図である。 本発明の第三の実施の形態における探知ヘッド部を示す平面図である。

符号の説明

１ 探知ヘッド
２ 第一の励磁コイル
３，３’ 第二の励磁コイル
４，４’，４−１’〜４−４’ 磁気センサ
５ 励磁電流発生器
６ 測定処理部
７ 信号切替器
８ 信号受信器
９ 信号処理器
１０ 励磁コイルリード線
１１ 磁気センサリード線
１２ 探知物
１３,１３' 第三の励磁コイル
１４ 第四の励磁コイル

Claims (4)

1. ループ状の第一の励磁コイル、この第一の励磁コイルの外側に、曲率中心が前記第一の励磁コイルの中心線上に位置するように点対称に配置された、円弧状に湾曲した一対の第二の励磁コイル、および、前記第一の励磁コイルの中心線上に配置された少なくとも１つの磁気センサを有する探知ヘッドと、
   前記第一の励磁コイルと前記第二の励磁コイルに逆極性の電流を流す励磁電流発生手段と、
   前記磁気センサにより検知された信号に基づいて金属の位置を検出する信号処理手段と
   からなる金属検出器。
2. ループ状の第一の励磁コイル、この第一の励磁コイルの外側に、曲率中心が前記第一の励磁コイルの中心線上に位置するように点対称に配置された、円弧状に湾曲した一対の第二の励磁コイル、前記第二の励磁コイルに対して直交する状態に配置された一対の第三の励磁コイル、前記第一の励磁コイルの中心線上に配置された少なくとも一つの磁気センサ、および、前記第二並びに第三の励磁コイル対の中心線上に配置された複数の磁気センサを有する探知ヘッドと、
   前記第一の励磁コイルと前記第二および第三の励磁コイルに逆極性の電流を流す励磁電流発生手段と、
   前記磁気センサにより検知された信号に基づいて金属の位置を検出する信号処理手段と
   からなる金属検出器。
3. ループ状の第一の励磁コイル、この第一の励磁コイルの外側に、それぞれの中心線が前記第一の励磁コイルと同心となる円周上に位置するように配置された、複数の第四の励磁コイル、前記第一の励磁コイルの中心線上の異なる位置に配置された少なくとも一つの磁気センサ、および、前記第四の複数の励磁コイルの各々の中心線上の異なる位置に配置された複数の磁気センサを有する探知ヘッドと、
   前記第一の励磁コイルと前記第四の励磁コイルに逆極性の電流を流す励磁電流発生手段と、
   前記磁気センサにより検知された信号に基づいて金属の位置を検出する信号処理手段と
   からなる金属検出器。
4. 請求項１から３のいずれかの項に記載の金属検出器を用いた金属検出方法であって、
   前記第一の励磁コイルと第二ないし第四の励磁コイルに互いに逆極性の励磁電流を流してそれぞれの励磁コイルにより磁界を発生させる工程と、
   前記磁界中に存在する金属である探知物による反射磁界を前記第一の励磁コイルの中心軸上に配置した磁気センサで検出する工程と、
   前記探知ヘッドを回転ないし移動させたときの前記磁気センサの出力信号の変化に基づいて、あらかじめ規定された演算式ないし参照テーブルから、前記探知物の深さおよび面積あるいは径を求める際に、前記励磁電流を増減可変して前記探知物からの反射磁界量の変化に基づいて、面積あるいはその径を求める工程と、
   前記反射磁界量の変化におけるオフセット量から、前記探知物の深さ決定時の誤差を補正することを特徴とする金属検出方法。

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