JP5576226B2

JP5576226B2 - 金属検出機

Info

Publication number: JP5576226B2
Application number: JP2010207888A
Authority: JP
Inventors: 和英山崎; 正治大野
Original assignee: ニッカ電測株式会社
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: JP2012063259A

Description

本発明は、被検査体に交流磁界を与え、その磁界の変化から異物である金属が被検査体に混入しているかどうかを検査する金属検出機に係り、特に、複数の周波数の交流磁界を用いて検査を行う金属検出機に関する。

被検査体に所定の周波数の交流磁界（以下、単に磁界と称す）を与え、被検査体に混入されている金属による磁界の変化を検出することによって、磁性体及び非磁性体の金属の有無を判断することができる。このような技術を用いた金属検出機では、検出対象とする金属、包装材、被検査体そのもの等の磁界に対する応答特性を考慮して、適切な周波数の磁界を被検査体に与える必要がある。このため、磁性体と非磁性体を別個に検出する際に最適化を図る場合には、複数の周波数の磁界を被検査体に与えて検査することが効果的である。

このような技術を用いて検出しようとする金属には、主に磁性体と非磁性体とに分けられ、前者と後者とでは、周波数に対する磁気の検出感度が異なる。また、被検査体の包装には、紙、樹脂さらにはアルミニウム等の金属が用いられる場合もあり、これら包装材の材質によって特徴付けられる周波数感度特性がある。さらに周波数感度特性は、被検査体自体に含まれる塩分、水分等の含有物によっても変化する。このため、金属検出機には、被検査体に混入した金属だけを、磁性体或いは非磁性体のそれぞれの周波数感度特性に応じた適切な感度で、かつ、被検査体及び包装材の周波数感度特性とは識別できる感度で検出することが要求されている。

従来の金属検出機としては特許文献１に開示されているように、被検査体に対して、磁性体と非磁性体の検出に適した複数の周波数の磁界を与えるため、時分割で交互に磁界を生成するというものがある。このような技術を用いた金属検出機では例えば、磁性体を検出するための周波数Ｆ１による磁界と非磁性体を検出するための周波数Ｆ２による磁界を時分割で時間Ｔ毎に交互に送信コイル（いわばアンテナコイル）を通して、被検査体に与える。その後、被検査体を介して受信コイルで受信した磁界に基づく起電力により出力される信号を周波数Ｆ１と周波数Ｆ２に分波して、周波数Ｆ１成分及び周波数Ｆ２成分のそれぞれを処理する。このような処理により求められる周波数F１、周波数F２のそれぞれに関する出力信号の差分により、磁性体、非磁性体の混入の有無をそれぞれ個別に判断する。

このような技術の場合、単一の送信コイルから複数の周波数（周波数F１、周波数F２）の磁界を時分割で個別に生成し、これを処理するので、周波数の選択、設定はしやすいが、周波数の異なる磁界の発生が交互に行われる分、検査に時間がかかるといった問題があった。さらに、送信コイル等を駆動するタイミングを交互に切り替えた場合、切り替え後に磁界が安定するまでの応答時間を要することから、ベルトコンベア等で移動している被検査体を検査するのには、効率が悪いといった問題もあった。

これに対し、発生磁界の周波数切替に基づく問題を解消するため、単一の送信コイルから、異なる２つの周波数で同時に磁界を形成して金属検知を行う検出機もあった。
このような金属検出機によれば、周波数切替に基づく検査時間の遅延、効率悪化といった問題はなくなる。しかし、単一の送信コイルに２つの周波数、例えば、数十ｋＨｚ付近の周波数と数百ｋＨｚ付近の周波数の信号を入力するので広い帯域の送信コイル駆動回路を構成する必要があり、選択度の良い同調回路を構成することができない。そのため、いわゆる同調回路のＱ（＝保存エネルギー／消費エネルギー＝ｗＬ／Ｒ＝中心周波数／帯域、ｗＬは送信コイルによるリアクタンス、Ｒは、同調回路の抵抗成分）が低く、検出対象物に関する検出感度が低くなってしまうといった問題があった。

この問題を解決するため複数の周波数への共振電流を送信コイルに流す方法として従来の送信コイルと共振コンデンサの他に周波数ごとに共振状態となるコイルとコンデンサによるインピーダンス素子を追加する技術が特許文献２に開示されている。

特開昭５９−０６０２７４号公報特許第４１１１９３４号公報

特許文献２に開示されている技術によれば、検査時間の遅延や検出感度の低下といった問題は解消できるが、追加するインピーダンス素子には共振回路の大電流が流れるため重厚長大な素子が必要となる。このような重厚長大な素子は高価な上、追加した素子に関しても共振状態となるよう調整が必要となる。このため、調整箇所が増えることとなり、調整作業が煩雑になるといった問題が生ずる。

そこで本発明では、上記種々の問題を解決し、スイッチ等で切り替えることなく、周波数の異なる複数の磁界を発生させた上で、被検査体に混入した金属を効率よく検査でき、且つ構成を簡易なものとする金属検出機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る金属検出機は、移動する被検査体に対し、送信コイルを介して複数の周波数を含む交流磁界を発生させる磁界発生手段と、前記被検査体が移動するときの前記交流磁界の変動を検出する受信コイルとを備え、前記受信コイルが検出した磁界の変動を基に前記被検査体に含まれる金属を検出する金属検出機であって、前記磁界発生手段は、少なくとも第１の周波数の交流磁界を発生させる第１送信コイルと、前記第１送信コイルに信号を出力する第１信号発生手段と、前記第１送信コイルと前記第１信号発生手段との間に前記第１送信コイルの電圧電流を変換するトランスと、前記第１送信コイルに並列に接続されて並列共振回路を構成する第１コンデンサと、第２の周波数の交流磁界を発生させる第２送信コイルと、前記第２送信コイルに信号を出力する第２信号発生手段と、前記第２送信コイルと前記第２信号発生手段との間に前記第２送信コイルに並列に接続されて並列共振回路を構成する第２コンデンサと、を有すると共に、前記第１送信コイルと前記第２送信コイルを同軸上に近接配置し、前記第１コンデンサと前記第１信号発生手段との間、および前記第２コンデンサと前記第２信号発生手段との間にそれぞれ、各送信コイル間に生ずる相互誘導の影響を抑制する直列共振回路素子を設けたことを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する金属検出機では、前記第１送信コイルと前記第２送信コイルは、複数捲きの単一コイルに中間タップを設けて構成される第１送信コイル相当部と第２送信コイル相当部とから成り、前記単一コイルの一方の端部から前記中間タップまでのコイルにより前記第１送信コイル相当部を構成し、前記第１送信コイル相当部を含む前記単一コイル全体により前記第２送信コイル相当部を構成することもできる。

さらに、上記のような特徴を有する金属検出機では、前記第１送信コイルと前記第２送信コイルは、複数捲きの単一コイルに二つの中間タップを設けて構成される第１送信コイル相当部と第２送信コイル相当部とから成り、前記中間タップ間のコイルにより前記第１送信コイル相当部を構成し、前記第１送信コイル相当部を含む前記単一コイル全体により前記第２送信コイル相当部を構成するようにしても良い。

上記のような特徴を有する金属検出機によれば、周波数の異なる複数の周波数成分に応答して同調する送信コイルを同軸上に配置することができるので、同時にそれぞれの周波数に同調した交流磁界を効率よく発生させることができる。また、それによって金属混入の検出感度を良くすることが可能となり、ひいては、被検査体に混入した金属を効率よく検査することが可能となる。

第１の実施形態に係る金属検出機の発信部の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る発信部における第１の応用形態を示すブロック図である。第１の実施形態に係る発信部における第２の応用形態を示すブロック図である。第２の実施形態に係る金属検出機の発信部の構成を示すブロック図である。第１、第２の実施形態に係る金属検出機における送信コイルと受信コイルの配置形態を示す図である。第３の実施形態に係る金属検出機の発信部の構成を示すブロック図である。対向型の金属検出機のコイルの配置を説明する図である。通過型の金属検出機のコイルの配置を説明する図である。

以下、本発明の金属検出機に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態に係る金属検出機の特徴的構成は、送信コイルを含む回路（発信部）にあり、受信側の回路（受信部）については、背景技術の項で開示した特許文献２において既に開示されているようなものであれば良い。すなわち、２種類の周波数（磁性体検出に適した周波数、および非磁性体検出に適した周波数）を含む磁界を受けて起電力を生じさせる２つの受信コイルと、２つの受信コイルによって生じた起電力の差を受信信号として捉え、これを増幅させる増幅手段、および増幅された受信信号を前記２種類の周波数に対応させて分波する手段を基本として備えるものである。分波された信号はそれぞれ、各周波数成分に同期した同期信号に基づいて各周波数成分が抽出される。抽出された周波数成分は、フィルタを介して積分される。積分により得られた値は、予め記憶された磁性体または非磁性体についての基準値と比較され、予め定められた閾値の範囲内であるか否かを判定される。判定は、それぞれの積分値が、閾値の範囲内であれば被検査体に金属は含まれない旨の判定とされ、いずれか一方、または両方の積分値が閾値の範囲を超えた場合には、磁性体、または非磁性体、あるいは両方が、被検査体に混入している旨の判定が成される。

なお、第１の実施形態に係る金属検出機における送信コイルと受信コイルとの配置形態は、図５に示すようなものであれば良い。すなわち、軸Ａを基点として同軸上に並列に配置した第１送信コイル１４、第２送信コイル２４に対向するように、且つ２つの送信コイル（第１送信コイル１４と第２送信コイル２４）の磁束発生面と平行するように、２つの受信コイルが同一平面上に並べて配置される。ここで、２つの受信コイルは、捲き回部の面積を、２つの送信コイルにおける捲き回部の面積の約半分とすると良い。

以下、本発明の特徴的構成である発信部について説明する。図１は、第１の実施形態に係る金属検出機に係る発信部１０の構成を示すブロック図である。図１において、第１信号発生手段１２は、複数の周波数の内の第１の周波数Ｆ１成分の信号を出力する。また、第２信号発生手段２２は、第２の周波数Ｆ２成分の信号を出力する。第１信号発生手段１２は周波数Ｆ１を発生する信号源を、第２信号発生手段２２は周波数Ｆ２を発生する信号源をそれぞれ有し、各々別個の信号を出力する。

第１信号発生手段１２には、第１送信コイル１４が接続され、第１信号発生手段１２と第１送信コイル１４との間には、第１送信コイル１４と並列に、共振コンデンサ１６が設けられている。ここで、第１送信コイル１４と共振コンデンサ１６とは、第１信号発生手段１２から出力される信号周波数Ｆ１において共振状態となるように調整が成される。図１に示す形態においては、Ｆ１＜Ｆ２を想定しており、トランス１８は低圧大電流の第１送信コイル１４の電圧電流を取り扱いし易い値に変換するために設けられている。

上記と同様に、第２信号発生手段２２には、第２送信コイル２４が接続され、第２信号発生手段２２と第２送信コイル２４との間には、第２送信コイル２４と並列に、共振コンデンサ２６が設けられている。さらに、第２送信コイル２４と共振コンデンサ２６との間でも、第２信号発生手段２２から出力される信号周波数Ｆ２において共振状態となるように調整が成される。

第１送信コイル１４と第２送信コイル２４は、コイルを構成する導線の捲き回面が平行となるように、同軸上に近接配置される。ここでいう軸とは図５に示すように、被検査物の搬送（移動）面に対して垂直方向に定められた軸をいう。また、同軸上とは、前記軸に対し、例えば導線を捲き回して構成される面の中心を位置させるといった配置形態をいう。

このように構成される２つの共振回路を同時に駆動させると、双方の送信コイル（第１送信コイル１４、および第２送信コイル２４）を介して発生する磁束の大半が、他方の送信コイルを通過することとなる。このため、各々の送信コイルに他方の送信コイルからの磁束の周波数成分に起因した誘導起電力が誘起される。このため、このような状態のまま運転を続けると、各信号発生手段（第１信号発生手段１２、および第２信号発生手段２２）に負荷が掛かり、各信号発生手段の動作に影響を及ぼす。そしてこのような影響は、各信号発生手段を故障に至らしめ兼ねない。

このような問題を解決するため、本実施形態に係る金属検出機では、各信号発生手段と各送信コイルを含む並列共振回路との間に、それぞれ共振コイル３０，４０と、共振コンデンサ３２，４２から構成される直列共振回路を挿入した。ここで、直列共振回路はそれぞれ、挿入された各信号発生手段側の出力周波数で共振するように構成されている。このような構成とすることで、挿入した直列共振回路素子（共振コイル３０，４０と共振コンデンサ３２，４２）は、他方の送信コイルにより生じた磁界の影響で誘起される電流に対し、いわゆるノイズフィルタとしての働きを成し、その電位を打ち消すように働く。これによって各信号発生手段への誘導起電力の影響は、低減されることとなる。この際、送信コイルの共振電流は第１の周波数Ｆ１については第１送信コイル１４とトランス１８および共振コンデンサ１６、第２の周波数Ｆ２については第２送信コイル２４と共振コンデンサ２６のみに流れるため大電流または高電圧用の部品は各周波数ごとにみると従来の単一周波数で検査する装置と同じ部品しか必要としない。また、各回路に挿入した直列共振回路は、信号発生手段と並列共振回路を有する回路の一部である。このような回路において、共振状態を生じさせるためには、回路全体の合成インピーダンスにおける複素数成分を零にする必要がある。各回路における出力周波数、送信コイルを含むコイルインピーダンスは予め定まるため、可変成分は、コンデンサの静電容量となる。ここで、インピーダンスのインダクタンス成分も、キャパシタ成分も、各回路における合成インピーダンスとして扱うことができることより、コンデンサにおける静電容量の調整は、容量の大きな並列共振コンデンサの容量調整を行うだけで、直列共振回路を含む回路全体における共振周波数に対するインピーダンスの調整を行うことができる。よって、所定の出力周波数に対する共振特性を得るための調整を行う調整箇所は、各出力周波数の回路毎に１箇所のみとすることができ、調整作業を容易に行うことが可能となる。

上記実施形態では、磁性体と非磁性体のそれぞれの検出に適した２つの周波数（第１の周波数Ｆ１と第２の周波数Ｆ２）を出力する発信部について説明した。しかしながら、本発明に係る金属検出機では、送信コイル、信号発生手段等をさらに増やし、３周波以上の周波数を含む磁束を生じさせる発信部を構成するようにしても良い。このような構成とする場合でも、その基本的構成は同様であり、複数の送信コイルを同軸上に配置し、各送信コイルに対応した並列共振コンデンサを備えると共に、各信号発生手段と並列共振回路との間に、直列共振回路を設けるようにすれば良い。なお、発信部の構成をこのようなものとした場合には、受信部における分波も、発生磁束に対応した数だけ可能な構成とする必要がある。このような構成とすることによれば、検出対象とする金属の種類や特性に合わせ、磁束に含まれる周波数を適宜選択することができる。これにより、金属の個別検出精度を向上させることが可能となる。

次に、第１の実施形態に係る金属検出機の応用例として、第１送信コイル１４ａと第２送信コイル２４ａを直列に接続し、接続点に中間タップ５２を配置して中間タップ付単一コイル５０として発信部１０を構成した例を図２、図３に示す。図２は中間タップ５２を基準電位に接続し、中間タップ５２の両側に各周波数の共振回路を形成したものである。図３は、周波数Ｆ１の信号を出力する第１信号発生手段１２側における共振回路のトランス１８の送信コイル側を基準電位に接続せず、周波数Ｆ２の信号を出力する第２信号発生手段２２側における第２送信コイル端２４ａを基準電位に接続したものである。このような構成とした場合であっても、上述した第１の実施形態に係る金属検出機の発信部１０と同様な機能を発揮することができる。

上記のような構成の回路を用いることにより、二つの送信コイルまたは一つの送信コイルの中間タップを境にした別の部分に、共振状態を発生させることができる。しかし、各送信コイルのインダクタンスは他方のコイル巻線の影響を受けて決まるため経時変化等により巻線間の位置関係が変化すると、共振条件が変化する。この場合、相互作用の為インダクタンスの変化は同等に発生するがトランスを介さずに共振している第２信号発生手段側の回路の方がＱが高いため影響を受けやすい。

このような問題を軽減することのできる金属検出機（第２の実施形態に係る金属検出機）として、図４に、特徴部分である発信部１０ａを示すこととする。図４は前述の問題を軽減するもので、図３に示す形態で使用した中間タップ付単一コイル５０を採用し、第２信号発生手段２２の出力信号を中間タップ付単一コイル５０の両端に印加する構成としたものである。このような構成とした場合、第２信号発生手段２２側の共振回路は第１信号発生手段１２に接続された共振回路を構成要素として含むこととなる。このため、中間タップ付単一コイル５０全体（第２送信コイル相当部２４ｂ）の第１信号発生手段１２側共振回路と共有する部分（中間タップ付単一コイル５０における一方の端部から中間タップ５２までであって、第１信号発生手段１２側共振回路が接続されている部分：第１送信コイル相当部１４ｂ）では、コイル端と中間タップ５２間とトランス１８に電流が分流してしまうが、巻線間の位置関係の変化による変化を受けにくくする効果がある。

なお、本実施形態に係る発信部１０ａにおいて、上記説明以外の構成については、上述した第１の実施形態に係る発信部１０と同様である。よって、その機能を同一とする箇所には図面に同一符号を付して、その詳細な説明は省略することとする。

一般な金属検出機の送信コイルと受信コイルの配置には２種類あり、一つは図７に示すように送信コイルの磁束発生面と平行して送信コイルの約半分の面積の二つの受信コイルを同一平面上に並べて送信コイルと受信コイルの間に被検査物を通過させ、２つの受信コイルに発生する電圧の差分で異物を検出する方式（対向型）である。

もう一つは図８に示すように、送信コイルの前後に送信コイルと開口面積が同じ受信コイルをそれぞれ配置し、コイルの内側に被検査物を通過させて、２つの受信コイルに発生する電圧の差分で異物を検出する方式（通過型）である。

上述したそれぞれの実施形態に係る送信コイルを使用した場合、対向型の金属検出機では問題無いが、通過型に使用する場合、第１送信コイル１４が発生する周波数Ｆ１の磁界と、第２送信コイル２４が発生する周波数Ｆ２の磁界とでは、磁界の発生面の中心が異なることとなる。このため、２つの受信コイルを両周波数の磁界発生の中心点から同じ距離に配置することは原理的にできない。

これに対し、図６に示すような構成の送信コイルを採用した場合（第３の実施形態に係る金属検出機）には、送信コイルと受信コイルとを通過型の配置形態とすることが可能となる。本実施形態に係る発信部１０ｂの送信コイルは、複数捲きした単一コイル５０ａに対し、第１中間タップ５２ａと第２中間タップ５２ｂを配置している。

そして、二つ設けた第１中間タップ５２ａと第２中間タップ５２ｂとの間に、第１信号発生手段１２に接続された共振回路を接続し、単一コイル５０ａの両端に、第２信号発生手段２２に接続された共振回路を接続した。なお、単一コイル５０ａにおいて、一方の端部から第１中間タップ５２ａまでの捲き回数（捲き回距離）と、他方の端部から第２中間タップ５２ｂまでの捲き回数（捲き回距離）とは、等しくなるように調整する。この構成とすることにより、単一コイル５０ａの中央に周波数Ｆ１の磁界発生面を配置できるため、二つの周波数磁界の中心点を同じ位置とすることができる。よって、送信コイルと受信コイルとを通過型の配置形態とした場合であっても、金属検出機として機能させることができる。

なお、本実施形態に係る発信部１０ｂにおいて、上記説明以外の構成については、上述した第１の実施形態に係る発信部１０と同様である。よって、その機能を同一とする箇所には図面に同一符号を付して、その詳細な説明は省略することとする。

１０………発信部、１２………第１信号発生手段、１４………第１送信コイル、１６………共振コンデンサ、１８………トランス、２２………第２信号発生手段、２４………第２送信コイル、２６………共振コンデンサ、３０………共振コイル、３２………共振コンデンサ、４０………共振コイル、４２………共振コンデンサ。

Claims

移動する被検査体に対し、送信コイルを介して複数の周波数を含む交流磁界を発生させる磁界発生手段と、前記被検査体が移動するときの前記交流磁界の変動を検出する受信コイルとを備え、前記受信コイルが検出した磁界の変動を基に前記被検査体に含まれる金属を検出する金属検出機であって、
前記磁界発生手段は、少なくとも第１の周波数の交流磁界を発生させる第１送信コイルと、前記第１送信コイルに信号を出力する第１信号発生手段と、前記第１送信コイルと前記第１信号発生手段との間に前記第１送信コイルの電圧電流を変換するトランスと、前記第１送信コイルに並列に接続されて並列共振回路を構成する第１コンデンサと、第２の周波数の交流磁界を発生させる第２送信コイルと、前記第２送信コイルに信号を出力する第２信号発生手段と、前記第２送信コイルと前記第２信号発生手段との間に前記第２送信コイルに並列に接続されて並列共振回路を構成する第２コンデンサと、を有すると共に、前記第１送信コイルと前記第２送信コイルを同軸上に近接配置し、
前記第１コンデンサと前記第１信号発生手段との間、および前記第２コンデンサと前記第２信号発生手段との間にそれぞれ、各送信コイル間に生ずる相互誘導の影響を抑制する直列共振回路素子を設けたことを特徴とする金属検出機。
前記第１送信コイルと前記第２送信コイルは、複数捲きの単一コイルに中間タップを設けて構成される第１送信コイル相当部と第２送信コイル相当部とから成り、前記単一コイルの一方の端部から前記中間タップまでのコイルにより前記第１送信コイル相当部を構成し、前記第１送信コイル相当部を含む前記単一コイル全体により前記第２送信コイル相当部を構成したことを特徴とする請求項１に記載の金属検出機。
前記第１送信コイルと前記第２送信コイルは、複数捲きの単一コイルに二つの中間タップを設けて構成される第１送信コイル相当部と第２送信コイル相当部とから成り、前記中間タップ間のコイルにより前記第１送信コイル相当部を構成し、前記第１送信コイル相当部を含む前記単一コイル全体により前記第２送信コイル相当部を構成したことを特徴とする請求項１に記載の金属検出機。