JP5209994B2

JP5209994B2 - 渦電流センサ

Info

Publication number: JP5209994B2
Application number: JP2008053258A
Authority: JP
Inventors: 信助望月
Original assignee: Kohden Co Ltd
Current assignee: Kohden Co Ltd
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: JP2009210399A

Description

本発明は、形状、材質等により硬貨の種類を選別する必要のある装置に使用する渦電流センサに関するものである。

一般に硬貨の種類、真贋の判別には、搬送される硬貨の磁気特性をコイルにより測定する手法が用いられている。図５に示すように、コイルに交流電流を流し、発生した交流磁界３１を硬貨１３に印加する。磁界３１が硬貨１３の中を通過するとき発生する渦電流３２により、渦電流による磁界３３が発生してコイル内の磁場が変化するため、磁界発生用コイル若しくは別途実装された検出用コイルのインピーダンス変化をコイル両端の電圧変化として検出し、この出力から硬貨の材質、厚さ、直径等を推測し、硬貨の種類や真贋を判定することが知られている。

例えば、特許文献１に記載の硬貨判別装置は、公衆電話機、自動販売機などに用いられ、硬貨軌道に配置した送受信コイルによって硬貨の厚さあるいは材質を判定して硬貨の真偽、種類などを判別する硬貨判別装置に関するものであり、送信コイルから発生する交番磁界によって移動する硬貨に渦電流を生じさせ、この渦電流が作り出す磁界によって受信コイルに生じる誘起電圧変化の出力波形を得て、この出力波形に基づいて硬貨の真偽、種類を判別するものである。
特開平０５−２１７０５０号公報

従来、センサの多くは特許文献１のように、コイルを用いた渦電流センサの検出出力から得た硬貨の材質、厚さ、径のデータにより硬貨の種類を判別している。
ここで、周波数ｆで変化する磁界Ｂは以下の式で表される。

また、巻数ｎ、断面積Ｓのコイルの断面に対して磁力線が垂直になるように設置したとき、コイルの両端に発生する電圧ｅは以下の式で表される。

よって、磁場Ｂに置かれたコイルの端子間に生じる電圧の最大値Ｖ０は、前記の数式（２）にｃｏｓ（ωｔ）＝１を代入することにより、次のように表すことができる。

前記数式（３）より、渦電流検出に使用するコイルの出力は、巻数ｎ、断面積Ｓ、周波数ｆの積に正比例し、特に低周波数の測定においては、巻数ｎと断面積Ｓを大きくする必要があるため、検出物の材質、外形寸法に対して最適な磁場を印加することが出来ず、同一のコイルで多種の周波数を測定することは困難であり、十分な感度が得られない場合があった。

また、検出用コイルには常時交流磁界が印加され、検出物の有無による微弱な変化を検出するためには信号処理回路が複雑になるという問題があった。さらに、コイルの構成によっては、コイルと硬貨の間隔に出力が大きく左右されるため、種類や真贋の判定が困難であるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、周波数特性が平坦であり、かつ小型で簡単な構造の信号処理回路で安価で再現性のよい渦電流センサを提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、交流磁界の印加により導電体である検出物に渦電流を発生させる交流磁界発生用コイルと、前記渦電流による磁界を検出する一定方向に感度を持った磁気センサとを有し、磁気センサの感磁方向に対して垂直に磁界が通過するように、前記交流磁界発生用コイルと磁気センサとを同心円状に配置して、前記磁気センサの近傍を通過する検出物に生じる渦電流による面方向の磁界を前記磁気センサで検出するようにしたことを特徴とする渦電流センサである。

請求項２記載の発明は、請求項１に加えて、渦電流を発生させる交流印加磁界を方形波若しくはパルス波とし、前記方形波若しくはパルス波に含まれる高調波成分を使用して検出物の特定を行うことを特徴とする渦電流センサである。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に加えて、前記磁気センサは、異方性磁気抵抗素子を使用し、永久磁石又はコイルによるバイアス磁界を印加してなることを特徴とする渦電流センサである。

請求項１記載の発明によれば、磁気センサの感磁方向に対して垂直に磁界が通過するように、前記交流磁界発生用コイルと磁気センサとを同心円状に配置して、前記磁気センサの近傍を通過する検出物に生じる渦電流による面方向の磁界を前記磁気センサで検出するようにしたので、検出物が無い状態では交流磁界発生用コイルが動作中であっても磁気センサからの信号はほとんど発生せず（変化せず）、検出物が通過する際に生じる渦電流によって初めて磁気センサの出力に変化が生じる構成となるため、小型で簡単な構造の信号処理回路で安価で再現性のよい渦電流センサを実現できる。

請求項２記載の発明によれば、渦電流を発生させる交流印加磁界を方形波若しくはパルス波とし、前記方形波若しくはパルス波に含まれる高調波成分を使用して検出物の特定を行うようにしたので、方形波を構成する基本波及び高調波を使用して、磁気センサの出力を検出物の表皮効果による基本波での渦電流による消費を低く抑え、かつ検出物の違いによる表皮効果による高調波での渦電流による消費を十分に判別できる周波数と奇数次の高調波に設定することで、一度の測定のみで検出信号の比率により温度特性等による出力変動に左右されることなく安定な検出が可能となる。

請求項３記載の発明によれば、前記磁気センサは、異方性磁気抵抗素子を使用し、永久磁石又はコイルによるバイアス磁界を印加して構成したので、一般的なコイルを使用したセンサにみられるセンサ感度の周波数依存性はなく、良好な周波数特性から多様な検出物に合わせた周波数設定を簡単な信号処理回路のみで高感度に安定な特性を安価に実現できる。

本発明による渦電流センサは、交流磁界の印加により導電体である検出物に渦電流を発生させる交流磁界発生用コイルと、前記渦電流による磁界を検出する一定方向に感度を持った磁気センサとを有し、磁気センサの感磁方向と同一方向に磁界が通過するように前記交流磁界発生用コイルと磁気センサを配置して、前記交流磁界発生用コイルと磁気センサとの間の磁束線を横切るように通過する検出物に生じる渦電流を検出するようにしたことを特徴とするものであり、渦電流を発生させる印加磁界を方形波若しくはパルス波とし、さらに、前記磁気センサは、異方性磁気抵抗素子を使用し、永久磁石、コイル等によるバイアス磁界を印加してなることを特徴とする。

図１（ａ）に示すのは、本発明の渦電流センサ１０の実施例１の構成を表した上面図であり、（ｂ）は、Ａ方向から見た場合の位置関係を表した模式図である。この図１において、１１は、永久磁石によって微弱な磁界でバイアスされた異方性磁気抵抗素子からなる磁気センサであり、１２は、交流磁界発生用コイルであり、１３は、硬貨等の検出物である。

図２は、本発明の磁気センサ１１の構成の一例を示したものである。図２（ａ）は、異方性磁気抵抗素子を利用した磁気センサ１１の基本構成を表したものであり、取付面としての基板１５上に構成された４つの磁気抵抗素子１８、１９、２０、２１と、この基板１５上の取付面と略平行となるように磁極面２５（例えばＮ極）を対向させたバイアス磁石１６とによって構成されている。基板１５上の４つの磁気抵抗素子のうち１８と２１は、図中の基板１５の略中心にある中心点２４を通る中心線２３上であってかつ中心点２４に対して対称の位置に設けられており、これらの磁気抵抗素子１８、２１は共に中心線２３に対して４５°の角度方向に延伸させて設けてある。また、４つの磁気抵抗素子のうち残りの１９と２０は、中心点２４を通ると共に中心線２３に対して垂直な中心線２２上であってかつ中心点２４から対称の位置に設けられており、これらの磁気抵抗素子１９、２０は共に中心線２２に対して４５°の角度方向に延伸させて設けてある。なお、図２（ａ）におけるバイアス磁石１６の形状は正方形としたが、磁極面２５が基板１５に向かい合っているものであればこれに限られるものではなく、例えば、円形形状のバイアス磁石１６としてもよい。図２（ｄ）に示すように、バイアス磁石１６の磁極面２５からは、磁気的中心２６から放射状に磁気ベクトルが発生している。

このようにして４つの磁気抵抗素子１８〜２１を配置した基板１５は、図２（ａ）に示すように、中心点２４とバイアス磁石１６の磁極面２５上の磁気的中心２６とが重なるように位置関係を調整する。この状態で、図２（ｃ）に示すように、リードフレーム１７の両面に接着すると共に、モールドパッケージ１４にて保持することで、磁気センサ１１を構成する。
また、図２（ｂ）に示すように、中心点２４に対して向かい合う磁気抵抗素子１８と２１及び１９と２０でそれぞれハーフブリッジを構成して、これらの中点からの出力をそれぞれＯｕｔＡとＯｕｔＢとして取り出す。なお、本実施例ではモールドパッケージ１４によって基板１５とバイアス磁石１６を保持する構成としたが、基板１５上の中心点２４とバイアス磁石１６の位置関係さえ正しければ、保持方法を限定するものではない。

本実施例における渦電流センサ１０は、前記磁気センサ１１の２つの出力であるＯｕｔＡとＯｕｔＢとの差分出力によって検出物１３を判別するものであり、差分出力の波形は、図１（ｃ）に示すようなものとなる。

磁気センサ１１近傍を検出物１３が通過していくと、交流磁界発生用コイル１２からの垂直方向の磁界が印加されて検出物１３に渦電流が発生する。ここで、磁気センサ１１の異方性磁気抵抗素子を形成した面は、交流磁界発生用コイル１２からの印加磁界の方向に垂直に設置されているため、交流磁界発生用コイル１２からの印加磁界の方向と異方性磁気抵抗素子の感磁方向は直交する位置関係であり、磁気センサ１１は、渦電流による面方向の磁界を検出して、図１（ｃ）に示すように、出力信号が増加する。
さらに検出物１３が磁気センサ１１に近づいて磁気センサ１１の感磁中心と検出物１３が重なる位置まで近づくと、交流磁界発生用コイル１２の中心からほぼ放射線状に渦電流が発生している関係上、水平方向の磁界は減少してほぼ垂直方向の磁界のみの状態となるため、図１（ｃ）に示すように、磁気センサ１１の出力信号は減少する。
その後検出物１３が磁気センサ１１の感磁中心から徐々に離れていくと、図１（ｃ）に示すように、再度水平方向の磁界が増加して出力信号も増加するが、さらに検出物が遠ざかるにつれて出力信号は減少していく。

本実施例における渦電流センサ１０では、磁気センサ１１の異方性磁気抵抗素子を形成した面と交流磁界発生用コイル１２からの印加磁界の方向とが垂直となることから、検出物の無い状態では磁気センサ１１を透過する磁束線は概ね垂直方向のみであるため磁気センサからの信号は非常に弱い。よって、検出物１３通過時の信号の増減によって判定すればよく、容易に信号処理回路を作成できる。

なお、図１においては１個の交流磁界発生用コイル１２で構成したが、より垂直方向の印加磁界を平行磁場とするために、２個の交流磁界発生用コイル１２を用いてヘルムホルツコイルのように対で使用してもよい。

図３（ａ）に示すのは、本発明の渦電流センサ１０の実施例２の構成を表した上面図であり、（ｂ）は、Ｂ方向から見た場合の位置関係を表した模式図である。
この図３において、１１は、永久磁石によって微弱な磁界でバイアスされた異方性磁気抵抗素子からなる磁気センサであり、１２は、交流磁界発生用コイルであり、１３は、硬貨等の検出物である。磁気センサ１１は、前記実施例１と同様に、図２に示す異方性磁気抵抗素子（１８〜２１）を利用したものを用いる。
この実施例２は、交流磁界発生用コイル１２と磁気センサ１１との間を検出物１３が通過するように配置したことを特徴とするものである。

磁気センサ１１と交流磁界発生用コイル１２の間を検出物１３が通過していくと、交流磁界発生用コイル１２からの磁界が検出物１３に遮蔽され渦電流が発生する。磁気センサ１１に到達する交流磁界発生用コイル１２からの磁界には、渦電流に転換された磁力分の欠損が生じる。

交流磁界発生用コイル１２では、流す電流波形に対応した磁界が発生する。ここで、交流磁界発生用コイル１２に流す電流を方形波とすると、発生する磁界の周波数成分ｙ（ｔ）は、以下の数式（４）で表される。

また、上記のような周波数成分を有する方形波を入力した場合、生じる渦電流の表皮深さｄは、以下の数式（５）で表され、このとき、検出物１３の厚みに対して表皮深さｄが十分に深くなるように周波数を選択する。

この数式（５）からも分かるように、表皮深さｄと電気抵抗ρ（導電率σ）との関係は、一方が判明すれば他方が判明する関係にあることから、これを検出物１３の判定に役立てることが可能となる。

次に、本実施例２における磁気センサ１１からの信号の処理回路について、図４を用いて説明する。図４（ａ）に示すブロック図において、磁気センサ１１からの出力信号は増幅器２７に入力されて単純に交流増幅される。ここで、磁気センサ１１の出力信号としてＯｕｔＡとＯｕｔＢの２つを取り出している場合には、それぞれについて交流増幅を行う。増幅器２７からの出力のうち一方の出力に対しては、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２８を通した後にピーク検出回路２９ａで信号の最大値を検出する。増幅器２７の他方の出力に対しては、そのままピーク検出回路２９ｂを適用する。比較回路３０において、ピーク検出回路２９ｂの出力をピーク検出回路２９ａの出力で割ることで、検出物１３による変動の比率を表す出力信号を得る。

磁気センサ１１の信号を増幅器２７で単純に交流増幅した後にピーク検出器２９ｂで最大値を測定し、更に基本波から前記高調波成分を分離できる簡単なハイパスフィルタ２８を通した信号に対してピーク検出器２９ａを適用して高調波成分の最大値を測定する。
基本波形の最大値では通過時の渦電流による損失が無視できるので殆ど最大値に変化はないが、高調波成分については表皮効果による渦電流の損失が大きく発生する。すなわち、検出物１３の材質、厚み等に応じて表皮効果による渦電流の損失分が異なるため、これに基づいて検出物１３を判別することが可能となる。

比較回路３０において、基本波のピーク検出器２９ｂの出力をピーク検出器２９ａの出力で除算することにより、検出物による渦電流の変動比率の関係が得られる。この比較回路３０の出力は温度等による変動要因が無くなるため、検出物１３の電気抵抗の違いによって材質を良好に弁別することが可能となる。
磁気センサ１１は異方性磁気抵抗素子を利用しているものであるため、周波数特性は直流から数ＭＨｚ以上まで平坦であり、検出物１３の厚さ、電気抵抗に応じて簡単に変更できる。

本実施例２においては、図３（ａ）に示すように、磁気センサ１１と交流磁界発生用コイル１２を対向させて設置し、この間を検出物１３が通過するようにして構成したが、本実施例２はこれに限定されるものではない。すなわち、検出物１３が磁気センサ１１と交流磁界発生用コイル１２の間を通過する構成であって、かつ、検出物１３に渦電流が流れた分の磁界の欠落分を磁気センサ１１で検出可能な位置関係であればよい。これにより、検出装置を構成する際に渦電流センサの位置決めの自由度が高くなるため、汎用性が高まる。

前記実施例において、磁気センサ１１は異方性磁気抵抗素子を利用したものとしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えばホール素子を手利用することも可能である。しかし、周波数特性を考慮すると、異方性磁気抵抗素子を利用することが好ましい。
また、前記実施例においては、磁気センサ１１は４つの異方性磁気抵抗素子を用いて構成しているが、これに限定されるものではなく、少なくとも１つ以上の異方性磁気抵抗素子があれば構成可能である。

（ａ）は、本発明の渦電流センサ１０の実施例１の構成を表した上面図であり、（ｂ）は、Ａ方向から見た場合の位置関係を表した模式図であり、（ｃ）は、磁気センサ１１の出力波形の一例である。異方性磁気抵抗素子を利用した磁気センサ１１の基本構成を表した説明図である。（ａ）は、本発明の渦電流センサ１０の実施例２の構成を表した上面図であり、（ｂ）は、Ｂ方向から見た場合の位置関係を表した模式図である。（ａ）は、磁気センサ１１の出力信号に対する処理回路の一例を表したブロック図であり、（ｂ）は、渦電流センサ１０の出力波形の一例である。検出物１３における渦電流の発生の様子を表した模式図である。

符号の説明

１０…渦電流センサ、１１…磁気センサ、１２…交流磁界発生用コイル、１３…検出物、１４…モールドパッケージ、１５…基板、１６…バイアス磁石、１７…リードフレーム、１８〜２１…異方性磁気抵抗素子、２２…中心線、２３…中心線、２４…中心点、２５…磁極面、２６…磁気的中心、２７…増幅器、２８…ハイパスフィルタ、２９ａ、２９ｂ…ピーク検出回路、３０…比較回路、３１…交流磁界、３２…渦電流、３３…渦電流による磁界。

Claims

交流磁界の印加により導電体である検出物に渦電流を発生させる交流磁界発生用コイルと、前記渦電流による磁界を検出する一定方向に感度を持った磁気センサとを有し、磁気センサの感磁方向に対して垂直に磁界が通過するように、前記交流磁界発生用コイルと磁気センサとを同心円状に配置して、前記磁気センサの近傍を通過する検出物に生じる渦電流による面方向の磁界を前記磁気センサで検出するようにしたことを特徴とする渦電流センサ。
渦電流を発生させる交流印加磁界を方形波若しくはパルス波とし、前記方形波若しくはパルス波に含まれる高調波成分を使用して検出物の特定を行うことを特徴とする請求項１記載の渦電流センサ。
前記磁気センサは、異方性磁気抵抗素子を使用し、永久磁石又はコイルによるバイアス磁界を印加してなることを特徴とする請求項１又は２記載の渦電流センサ。