JP6291635B2

JP6291635B2 - 金属材料判別装置

Info

Publication number: JP6291635B2
Application number: JP2014022938A
Authority: JP
Inventors: 弘美西村
Original assignee: 弘美西村
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-02-10
Also published as: JP2015148574A

Description

本発明は、簡易かつ非破壊的に金属材料の違いを判別する金属材料判別装置に関するものである。

金属材料の判別とは、金属の素材となる元素の種類や成分構成比の違いだけではなく、経年変化や加工硬化による材料の変質、熱処理による材料組織の変化、応力や腐食による材料の割れの有無、材料の厚さの違い、電気伝導率の違い、等の金属材料の違いを数値で表し、判別することを意味する。従来、金属材料の違いを非破壊的に判別する手法としては、例えば、特許文献１に記載の技術がある。特許文献１に記載の金属判別装置は、電流式センサーと対象金属片の距離を一定に保てるように固定又は通過させ、金属の種類によって変化する電気信号の違いを連続で検出し、その検出された電気信号を表示又は演算し、金属の標準値と比較して金属の種類を判別する。

実用新案登録第３００１７０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、電流式センサーと対象金属片の距離を一定に保てるように固定又は通過させなければ、判別精度を維持できない。従って、電流式センサーと対象金属片の距離を一定に保つために、取り付け台や搬送コンベアが必要となる。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、金属材料との距離に影響を受けず、簡易かつ非破壊的に金属材料の違いを精度良く判別することが可能な金属材料判別装置を提供することである。

前述した目的を達成するための第１の発明は、金属材料の違いを判別する金属材料判別装置であって、検出コイルとコンデンサで構成するＬＣ共振回路を有し、発振信号を出力する発振部と、前記発振信号の振幅を計測する振幅計測部と、前記発振信号の周波数を計測する周波数計測部と、前記振幅計測部によって計測される振幅の変化量と、前記周波数計測部によって計測される周波数の変化量との比を、前記金属材料と前記検出コイルとの距離とは無関係に前記金属材料の違いに応じた値として算出し、前記金属材料の違いを判別する計測データ処理部と、を備えることを特徴とする金属材料判別装置である。第１の発明によって、金属材料との距離に影響を受けず、簡易かつ非破壊的に金属材料の違いを精度良く判別することが可能となる。

例えば、前記計測データ処理部は、前記金属材料と前記検出コイルとを接近させるときの複数点の前記周波数及び前記振幅の計測データから回帰直線を算出し、前記回帰直線の傾きを、前記金属材料の違いを判別する判別値とする。これによって、ノイズの影響を低減し、判別精度を向上させることができる。

本発明により、金属材料との距離に影響を受けず、簡易かつ非破壊的に金属材料の違いを精度良く判別することが可能な金属材料判別装置を提供することができる。

金属材料判別装置の構成を示す図発振部の第１の構成例発振部の第２の構成例検出コイルの第１の構成例検出コイルの第２の構成例検出コイルの第３の構成例金属材料の種類ごとの周波数変化および振幅変化のグラフ

以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態における金属材料判別装置１の構成を示している。金属材料判別装置１は、金属材料の違いを判別する装置である。金属材料判別装置１は、発振部２、振幅計測部３、周波数計測部４、計測データ処理部５、表示部６等から構成される。

発振部２は、検出コイルとコンデンサで構成するＬＣ共振回路を有し、発振信号を出力する。振幅計測部３は、発振信号の振幅を計測する。周波数計測部４は、発振信号の周波数を計測する。計測データ処理部５は、振幅計測部３によって計測される振幅の変化量と、周波数計測部４によって計測される周波数の変化量との比を算出し、金属材料の違いを判別する。表示部６は、計測データ処理部５による算出結果や判別結果を表示する。

発振部２から出力される発振信号の周波数は、ＬＣ共振回路の共振周波数と一致する仕組みになっている。これによって、振幅計測部３によって計測される振幅の変化量と周波数計測部４によって計測される周波数の変化量との比が、金属材料と金属材料判別装置１の距離とは無関係に、金属材料の違いに応じた特有の値となる。従って、被判別物（金属材料）と金属材料判別装置１の距離に影響を受けず、簡易かつ非破壊的に金属材料の違いを精度良く判別することが可能となる。尚、金属材料判別装置１の原理の詳細については後述する。

図２は、発振部２の第１の構成例を示している。図２に示すように、発振部２は、例えば、検出コイル１１とコンデンサ１２とが並列に接続されるＬＣ共振回路１０を構成要素に持つフランクリン発振回路である。

図３は、発振部２の第２の構成例を示している。発振部２は、例えば、検出コイル１１とコンデンサ１２とが並列に接続されるＬＣ共振回路１０、電圧制御発振器１３、位相比較器１４、低域フィルタ１５を有する。電圧制御発振器１３は、制御電圧で発振信号の周波数を制御する発振器である。電圧制御発振器１３の出力はＬＣ共振回路１０と振幅計測部３に出力される。位相比較器１４は、発振信号とＬＣ共振回路１０の位相差を電圧に変換して低域フィルタ１５に出力する。低域フィルタ１５は、位相比較器１４から出力される電圧の低周波数成分を通過させ、高周波数成分を減衰させる。低域フィルタ１５の出力は、電圧制御発振器１３と周波数計測部４に出力される。

電圧制御発振器１３は、発振信号とＬＣ共振回路１０から発生する信号の位相差がなくなるように（常に０になるように）、発振信号の周波数が制御される。これによって、発振信号の周波数が、ＬＣ共振回路１０の共振周波数と一致する。このとき、電圧制御発振器１３の制御電圧は共振周波数に比例する。

振幅計測部３は、例えば、ダイオードによる整流平滑回路、又はオペアンプを利用した理想ダイオードにて信号を整流平滑化し、アナログデジタル変換器にて振幅データを取得する。振幅計測部３は、ＬＣ共振回路１０に生じる信号の振幅を計測することができれば良く、特に限定されるものではない。

周波数計測部４は、発振部２が第１の構成例の場合、周波数カウンタである。尚、発振信号の周波数が低い場合、周波数計測部４は、信号の立ち上がり周期時間の逆数から周波数を求めるようにしても良い。

また、周波数計測部４は、発振部２が第２の構成例の場合、アナログデジタル変換器である。電圧制御発振器１３の制御電圧と検出コイル１１に生じる交流信号の周波数が比例するため、周波数計測部４は、電圧制御発振器１３の制御電圧をアナログデジタル変換し、周波数データとして取得することができる。

周波数計測部４として周波数カウンタを用いる場合、一定時間内における信号のカウント数を計測するため、計測時間が比較的長い。一方、周波数計測部４としてアナログデジタル変換器を用いる場合、このような時間を要しないため、計測時間が短い。尚、周波数計測部４として周波数カウンタを用いる場合、ノイズが平滑化されるため、精度が向上する。

計測データ処理部５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有するコンピュータである。表示部６は、ディスプレイを有し、計測データ処理部５の制御に従って、算出結果や判別結果を表示する。

図４は、検出コイル１１の第１の構成例の断面構造を示している。図４に示すように、検出コイル１１は、例えば、空芯である。空芯の構造は、検出コイル１１の内部に被判別物Ｍを通して判別する場合に適している。

検出コイル１１の外周は、例えば、エポキシ樹脂等のプラスチック体２１によって覆われている。プラスチック体２１の外周には、例えば、フェライトよりなる被覆体２２を設けるようにしても良い。プラスチック体２１は、検出コイル１１の位置を固定する役目がある。被覆体２２を設けると指向性が向上し、検出面２４以外の影響を受け難くなり、判別精度を向上させることができる。尚、被覆体２２を設けない方が検出感度は向上するので、目的に応じて使い分けることが好ましい。

検出コイル１１の外周には、被覆体２２を設ける場合にはその外周に、例えば、電気伝導体よりなる遮蔽体２３を設けることが好ましい。これによって、検出コイル１１に生じる寄生容量の外部からの影響を受け難くなる。遮蔽体２３は接地する。

図５（ａ）は、検出コイル１１の第２の構成例の断面構造を示している。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す検出コイル１１を検出面２４から見た構成を示している。図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、検出コイル１１は、フェライトコア２５を有していても良い。

図６は、検出コイル１１の第３の構成例の断面構造を示している。図６に示すように、フェライトコア２５を検出面２４において被覆体２２よりも突出させるようにすれば、検出感度を高くすることができる。

被判別物Ｍの金属材料の違いを判別する場合、第１の構成例であれば、操作者は、金属材料判別装置１を起動し、検出コイル１１の内部に被判別物Ｍを挿入する。また、第２の構成例および第３の構成例であれば、操作者は、金属材料判別装置１を起動し、検出コイル１１の検出面２４を被判別物Ｍに対向させる。

尚、検出コイル１１に被判別物Ｍを接近させる位置は、１点でもよいが、例えば、少し離れた位置から徐々に検出コイル１１に近づけていき、複数点について検出することが好ましい。例えば、金属材料判別装置１の計測データ処理部５は、複数点の周波数変化と振幅変化の計測データから回帰直線を算出し、その回帰係数を振幅の変化量と周波数の変化量との比とすることによって、ノイズの影響を低減し、判別精度を向上させることができる。

ここで、金属材料判別装置１の原理について説明する。発振部２が有するＬＣ共振回路１０は、検出コイル１１に被判別物Ｍ（金属材料）を接近させると、被判別物Ｍの電磁気学的性質により、検出コイル１１のインダクタンスが変化して、ＬＣ共振回路１０に発生する信号の振幅や共振周波数が変化する。例えば、被判別物Ｍの比透磁率が１より非常に大きい場合には、被判別物Ｍを検出コイル１１に接近させると、磁束が集束し、見かけ上、コイルが密に巻かれた状態のようになる。そのため、検出コイル１１のインダクタンスが増加し、ＬＣ共振回路１０に発生する信号の振幅が減少するとともに、共振周波数が低くなる。

逆に、被判別物Ｍの比透磁率が１に近い場合には、被判別物Ｍを検出コイル１１に接近させると、磁束の集束は発生せず、被判別物Ｍには渦電流が発生し、その反発（反作用）で検出コイル１１のインダクタンスが減少し、ＬＣ共振回路１０に発生する信号の振幅が減少するとともに、共振周波数が高くなる。尚、このインダクタンスの減少は比透磁率によらず発生するが、比透磁率が大きいと磁束の集束の効果が大きく、インダクタンスの減少の効果が小さいので、比透磁率が大きい場合にはインダクタンスが増加する。

前述の通り、金属材料判別装置１の発振部２は、検出コイル１１とコンデンサ１２とが並列に接続されるＬＣ共振回路１０を有し、発振信号の周波数が、ＬＣ共振回路１０の共振周波数と一致する仕組みを備える。これによって、被判別物Ｍ（金属材料）の比透磁率が１より非常に大きい場合には、ＬＣ共振回路１０に発生する信号の振幅が減少するとともに、共振周波数が低くなることから、発振信号の振幅が減少し、発振信号の周波数も低くなる。逆に、被判別物Ｍの比透磁率が１に近い場合には、ＬＣ共振回路１０に発生する信号の振幅が減少するとともに、共振周波数が高くなることから、発振信号の振幅が増加し、発振信号の周波数も高くなる。そして、振幅計測部３によって計測される振幅の変化量と周波数計測部４によって計測される周波数の変化量との比は、金属材料と金属材料判別装置１の距離とは無関係に、金属材料の違いに応じた特有の値となる。

振幅の減少及び周波数の変化は、検出コイル１１と被判別物Ｍとの距離の関数となり、振幅の減少及び周波数の変化の大きさはともにほぼ距離の二乗に反比例している。すなわち、検出コイル１１と被判別物Ｍとの距離が接近すると、その変化は急激に大きくなる。しかし、振幅変化と周波数変化の比は、検出コイル１１と被判別物Ｍとの距離に関わらず一定となる。また、振幅変化と周波数変化の比は、被判別物Ｍの素材となる元素の種類や成分構成比の違いだけではなく、経年変化や加工硬化による材料の変質、熱処理による材料組織の変化、応力や腐食による材料の割れの有無、材料の厚さの違い、電気伝導率の違い、等によって異なり、被判別物Ｍ固有の値となる。

図７は、金属材料判別装置１によって計測された周波数の変化量および振幅の変化量をプロットしたものである。尚、縦軸の振幅変化は、振幅が減少する方向を正にしている。被判別物Ｍ（金属材料）は、銅、アルミニュウム、青銅（Ｃｕ９５重量％、Ｚｎ３重量％、Ｓｎ２重量％）、ニッケル黄銅（Ｃｕ７２重量％、Ｚｎ重量２０％、Ｎｉ重量８％）、白銅（Ｃｕ７５重量％、Ｎｉ２５重量％）、工具鋼（ＨＳＳ）、ケイ素鋼（Ｆｅ９７重量％、Ｓｉ３重量％）である。

図７に示すように、振幅の変化量と周波数の変化量は比例関係にある。従って、例えば、周波数の変化量に対する振幅の変化量を計測値とし、被判別物Ｍ（金属材料）ごとの計測値の回帰直線を算出し、回帰直線の傾きを判別値（判別角）とすることによって、金属材料の違いを判別することができる。

次表は、各共振周波数で銅の判別値（判別角）を７０．０としたときの各金属の判別値（判別角）の計測結果である。次表が示すように、共振周波数が異なっても、判別値（判別角）は大きく変化しない。

計測データ処理部５は、振幅計測部３によって計測される振幅の変化量と、周波数計測部４によって計測される周波数の変化量との比を算出し、金属材料の違いを判別する。表示部６は、計測データ処理部５によって算出される判別値（判別角）を表示する。また、例えば、金属材料判別装置１を製品の良品判定に用いる場合、計測データ処理部５は、基準となる良品の判別値（判別角）を記憶しておき、算出される判別値（判別角）と比較し、判定結果を表示部６に表示するようにしても良い。このようにして、金属材料判別装置１は、金属材料の違いを判別することが可能となる。

以上、本発明の実施形態の金属材料判別装置１によれば、金属材料との距離に影響を受けず、簡易かつ非破壊的に金属材料の違いを精度良く判別することが可能となる。

１.........金属材料判別装置
２.........発振部
３.........振幅計測部
４.........周波数計測部
５.........計測データ処理部
６.........表示部
１０.........ＬＣ共振回路
１１.........検出コイル
１２.........コンデンサ

Claims

金属材料の違いを判別する金属材料判別装置であって、
検出コイルとコンデンサで構成するＬＣ共振回路を有し、発振信号を出力する発振部と、
前記発振信号の振幅を計測する振幅計測部と、
前記発振信号の周波数を計測する周波数計測部と、
前記振幅計測部によって計測される振幅の変化量と、前記周波数計測部によって計測される周波数の変化量との比を、前記金属材料と前記検出コイルとの距離とは無関係に前記金属材料の違いに応じた値として算出し、前記金属材料の違いを判別する計測データ処理部と、
を備えることを特徴とする金属材料判別装置。
前記計測データ処理部は、前記金属材料と前記検出コイルとを接近させるときの複数点の前記周波数及び前記振幅の計測データから回帰直線を算出し、前記回帰直線の傾きを、前記金属材料の違いを判別する判別値とする
ことを特徴とする請求項１に記載の金属材料判別装置。