JP6591755B2

JP6591755B2 - 金属検出機

Info

Publication number: JP6591755B2
Application number: JP2015010312A
Authority: JP
Inventors: 早坂　淳一; 淳一早坂; 若生　直樹; 直樹若生; 荒井　賢一; 賢一荒井
Original assignee: Research Institute for Electromagnetic Materials
Current assignee: Research Institute for Electromagnetic Materials
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2035-01-22
Also published as: JP2016133483A

Description

本発明は，食品等の被検査体に含まれる金属異物を磁気的に検出する金属検出機に関し、特に数十μｍ以下の微小な金属異物を検出する金属検出機に関する。

従来の被検体に含まれる金属異物、あるいは金属導体表面の割れのような傷を磁気的に検出する手法としては、一般に渦電流法が知られている（非特許文献１参照）。

図６は渦電流法の原理図である。時間的に変化する磁界を生成する磁界発生手段、例えば、交流電流１０１を流したコイル１０２から生じる磁束１０３が被検体内の金属導体１０４を貫き、電磁誘導によって金属導体１０４には渦電流１０５が誘導され、コイル１０２による磁束を減少させる反作用の磁束１０６が発生する。コイル１０２の起電力１０７は、反作用の磁束１０６の影響により、金属導体が無い場合に比べて僅かに変化する。渦電流法は、このような反作用の磁束によるコイルの起電力の変化を利用して被検体に含まれる金属の有無を検出する方法である。

また、特に微小な金属異物を検出する技術として、特許文献１に開示されたものがある。

図７，８は、特許文献１に記載の金属検出機の断面図および平面図である。この金属検出機は、被検体１１３を搬送するための搬送機１１１と、搬送機１１１の上方に設けられた励磁コイル１１４と、搬送機１１１の下方の励磁コイル１１４と対向するように幅方向に沿って配列された複数の磁気センサ、例えば幅方向に沿って２列に配列された受信コイル１１２ａ_１〜１１２ａ_ｎ，１１２ｂ_１〜１１２ｂ_ｎとを有している。これらの受信コイルは、隣接する受信コイル１１２ａ_１と１１２ｂ_１、・・・、１１２ａ_ｎと１１２ｂ_ｎが対をなし、幅方向に配列された複数の受信コイル対が空間的、時間的な差動信号を得るようになっており、励磁コイル１１４の励起信号と同期検波することにより、被検体１１３に含まれる微小な金属異物を高感度に検出することができるようになっている。

特許第２５７４６９４号公報

川西他編，磁気工学ハンドブック，朝倉書店，１９９８，ｐ．１１４８．

上記非特許文献１に記載されている渦電流法では、電磁誘導を利用しているので励磁コイルによって生成される磁界の周波数が高くなるにつれて検出信号である起電力の変化は増加するため、微小な金属を検出するためには磁界の周波数が高いほうが有利である。しかし、磁界の周波数が高くなると、表皮効果により渦電流は金属の表面に集中して流れ、電気抵抗が増加して渦電流の絶対量が低下するため、磁界の周波数を高くするにも限界がある。このため、従来の渦電流法では、励磁周波数として、一般に１ＭＨｚ以下が使用されており、微小な金属を高感度で検出することが困難であった。

また、特許文献１に開示されている従来技術では、受信コイルの対を複数列並べ、さらに励磁コイルからの励起信号との同期検波を行うことで、微小な金属に対する検出感度を高めているが、複数対の受信コイルに略均一で、ある強さ以上の磁界を印加するための励磁コイルは、必然的に大面積なものになる。励磁コイルの半径が大きくなれば、生成される磁界が低下するため、必要な磁界を印加するためには、励磁コイルに流す電流を増やさなければならず、消費電力が増大するという問題がある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、低消費電力でありながら、微小な金属に対する検出感度を高くすることができる金属検出機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明では、以下の（１）〜（７）を提供する。
（１）被検体に磁界を印加する磁界発生部と、前記被検体に含まれる数十μｍ以下の微小な金属異物によって生じる磁界の変化を検出する磁界検出部とを備え、その磁界の変化から前記被検体中の前記金属異物を検出する金属検出機であって、
前記磁界発生部は、所定周波数の信号を発生する信号発生源と、前記信号を増幅させる電力増幅部と、前記電力増幅部で増幅された電力により磁界を発生する励磁回路とを有し、
前記磁界検出部は、前記磁界発生部で発生された磁界の変化を検出する検出回路と、前記検出回路により検出された検出信号を信号処理する信号処理回路とを有し、
前記励磁回路と前記検出回路とは共振系を構成し、前記信号発生源の周波数を共振周波数の±１０％以内の範囲で掃引し、前記励磁回路の励磁信号に対する検出回路により検出された検出信号の同相成分および直交成分のそれぞれの極大値および極小値のいずれか、またはそれらを含む各周波数における検出信号の同相成分および直交成分をそれぞれ２次元の座標上にプロットして得られる曲線によって囲まれた領域の面積を特徴量として前記微小な金属異物を検出することを特徴とする金属検出機。
（２）前記励磁回路は、励磁コイルと、前記励磁コイルと並列に挿入された第１コンデンサとを有し、
前記検出回路は、検出コイルと、前記検出コイルと並列に挿入された第２コンデンサとを有し、
前記共振系は、前記励磁コイルおよび前記第１コンデンサで構成される第１共振系、ならびに前記検出コイルおよび前記第２コンデンサで構成される第２共振系を有することを特徴とする（１）に記載の金属検出機。
（３）前記励磁回路は、励磁コイルを有し、
前記検出回路は、検出コイルと、前記検出コイルと並列に挿入されたコンデンサとを有し、
前記共振系は、前記励磁コイルと、前記検出コイルと、前記コンデンサで構成されることを特徴とする（１）に記載の金属検出機。
（４）前記励磁コイルに直列に接続される第１電気抵抗および前記検出コイルに直列に接続される第２電気抵抗の少なくとも一つの電気抵抗をさらに有し、前記電気抵抗により前記共振系の共振周波数における品質係数を調整することを特徴とする（２）または（３）に記載の金属検出機。
（５）前記信号処理回路は、前記検出信号を増幅する信号増幅器と、前記信号増幅器の出力および前記信号発生源の出力を乗算するための混合器と、フィルタ回路とを有していることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の金属検出機。
（６）前記磁界検出部を複数備え、各々の磁界検出部を近接して配置し、少なくとも一つの磁界検出部の出力を参照信号とし、他方の磁界検出部による出力を検出信号とする差動方式とすることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の金属検出機。
（７）検査範囲に前記被検体が存在しない時刻における磁界検出部の出力を参照信号とし、該参照信号と前記被検体に含まれる金属による磁界変化の出力信号の差分を検出信号とする時分割方式とすることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の金属検出機。

本発明によれば、磁界発生部は、所定周波数の信号を発生する信号発生源と、前記信号を増幅させる電力増幅部と、前記電力増幅部で増幅された電力により磁界を発生する励磁回路とを有し、磁界検出部は、磁界発生部で発生された磁界の変化を検出する検出回路と、検出回路により検出された検出信号を信号処理する信号処理回路とを有し、励磁回路と検出回路とは共振系を構成し、信号発生源の周波数は、前記共振系の共振周波数であるか、または共振周波数の±１０％以内の周波数とした。これにより、効率よく磁界を発生することができ、低消費電力化を実現できるとともに、数十ＭＨｚ以上の高い周波数域において、微小な磁界の変化を感度よく検出することができる。したがって、低消費電力でありながら、微小な金属に対する検出感度が高い金属検出機を実現することができる。

本発明の第一の実施形態に係る金属検出機を示す回路図である。本発明の第一の実施形態に係る金属検出機の励磁コイルおよび検知コイルの配置例を示す図である。本発明の第一の実施形態に係る金属検出機の検出結果を示すものであり、（ａ）は励磁周波数による出力信号の同相成分および検出信号Ｘ（差動信号の同相成分）を示す図、（ｂ）は励磁周波数による出力信号の直交成分および検出信号Ｙ（差動信号の直交成分）を示す図である。本発明の第一の実施形態に係る金属検出機における金属異物に対する検出信号Ｘ（同相成分）、検出信号Ｙ（直交成分）の関係を示す図である。本発明の第二の実施形態に係る金属検出機を示す回路図である。非特許文献１に記載の渦電流法による金属検出機の原理図である。従来技術としての特許文献１に記載の金属検出機の断面図である。従来技術としての特許文献１に記載の金属検出機の平面図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

＜第一の実施形態＞
最初に第一の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第一の実施形態に係る金属検出機を示す回路図であり、その基本原理を説明するものである。本実施形態に係る金属検出機１０は、被検体３に磁界を印加する磁界発生部１と、被検体３に含有する金属によって生じる磁界の変化を検出する磁界検出部２とを具備している。４は被検体３の移動方向である。磁界発生部１は、信号発生源１１、電力増幅器１２、励磁コイル１３、励磁コイル１３に並列に挿入された第１コンデンサ１４を備えている。また、磁界検出部２は、検出コイル２１、検出コイル２１に並列に挿入された第２コンデンサ２２、および信号処理回路２３を備えている。信号処理回路２３は、信号増幅器２４、信号増幅器２４と信号発生源１１のそれぞれの出力を乗算するための混合器２５、およびフィルタ回路２６を有している。２７は負荷である。

磁界発生部１の励磁コイル１３および第１コンデンサ１４により第１の共振系が構成され、磁界検出部２の検出コイル２１および第２コンデンサ２２により第２の共振系が構成され、第１の共振系および第２の共振系により一つの共振系が構成される。

そして、信号発生源１１の発振周波数は、上記共振系の共振周波数とするか、あるいは、共振周波数付近の帯域を掃引する。例えば、共振周波数が２０ＭＨｚである場合、共振周波数の±１０％である１８ＭＨｚから２２ＭＨｚを掃引範囲とする。一般的な共振系の品質係数は１０から１００であり、共振周波数の±１０％の範囲を掃引することで、共振系の特徴量を抽出することができる。本例では、磁界発生部１の励磁コイル１３および第１コンデンサ１４で構成される第１の共振系、ならびに、磁界検出部２の検出コイル２１および第２コンデンサ２２で構成される第２の共振系の共振周波数は同じである。

図２は、第一実施形態の励磁コイル１３および検出コイル２１の実際の配置例を示す図である。励磁コイル１３および検出コイル２１は、中心軸が同一軸となるように（同心状に）配置されている。また、検出コイル２１が励磁コイル１３の内側になるように配されている。被検体３は、励磁コイル１３および検出コイル２１の近傍を通過する。なお、１５は励磁コイル１３の芯棒、２８は検出コイル２１の芯棒である。

次に、以上のように構成される金属検出機における動作について説明する。
信号発生源１１は上述したように、上記共振系の共振周波数またはその近傍の発振周波数を有する信号を生成する。生成された信号は、電力増幅部１２で増幅され、その電力が励磁コイル１３および第１コンデンサ１４に供給される。励磁コイル１３および第１コンデンサ１４により、磁界が発生する。励磁コイル１３および第１コンデンサ１４の第１の共振系により、効率よく磁界を発生させることができ、低消費電力化を実現することができる。励磁コイル１３および第１コンデンサ１４により発生した磁界により、被検体３に内包された金属異物の内部に渦電流が生じる。そして渦電流は磁界を変化させる。

磁界の変化は、検出コイル２１および第２コンデンサ２２にて検出され、検出信号として、信号増幅器２４で増幅される。検出コイル２１および第２コンデンサ２２の第２の共振系により、数十ＭＨｚ以上の高い周波数域において、微小な磁界の変化を感度よく検出することができる。検出信号は、混合器２５にて信号発生源１１の発振周波数を有する信号と乗算され、その後、フィルタ回路２６にて不要な雑音が除去され、信号対雑音比ＳＮＲの高い検出信号が得られる。

また、複数の磁界検出部を備え、各々の磁界検出部を近接して配置し、少なくとも一つの磁界検出部の出力を参照信号とし、他方の磁界検出部による出力を検出信号とする差動方式とすることも可能である。

さらに、検査範囲に被検体が存在しない時刻における磁界検出部の出力を参照信号とし、該参照信号と被検体に含まれる金属（金属異物）による磁界変化の出力信号の差分を検出信号とする時分割方式とすることも可能である。

上述した差動方式とする場合は、例えば、複数の検出コイルを、少なくとも一つの励磁コイルの内側に配する。

図３は、第一の実施形態に係る金属検出機における検出結果を示すものであり、（ａ）は励磁周波数による出力信号の同相成分および検出信号Ｘ（差動信号の同相成分）を示す図、（ｂ）は励磁周波数による出力信号の直交成分および検出信号Ｙ（差動信号の直交成分）を示す図である。

図３（ａ）に示すように、出力信号の同相成分は、共振周波数ｆｒにて極大を示し、検出信号Ｘは共振周波数ｆｒを境に極大値Ｘ_ｆ１、極小値Ｘ_ｆ３を示す。また、図３（ｂ）に示すように、出力信号の直交成分は共振周波数ｆｒにおいてゼロを示し、検出信号Ｙは共振周波数ｆｒより低周波域で極大値Ｙ_ｆ４、共振周波数ｆｒ近傍で極小値Ｙ_ｆ２を示す。被検体に含有する金属の有無は、検出信号Ｘの極大値Ｘ_ｆ１、極小値Ｘ_ｆ３、検出信号Ｙの極大値Ｙ_ｆ４、極小値Ｙ_ｆ２のいずれかの特徴量の大小から判断することができる。これらの特徴量となる検出信号は、従来の非共振法に比べて数十倍以上と極めて大きく、数十μｍ程度の極めて小さな金属異物を検出することができる。

図４は、第一の実施形態の金属検出機における金属異物に対する検出信号Ｘ（同相成分）、検出信号Ｙ（直交成分）の関係を示す図である。信号発生源の発振周波数が、低周波域から高周波域に増加するにつれて、順次、特徴量であるＸ_ｆ１、Ｙ_ｆ２、Ｘ_ｆ３、Ｙ_ｆ４を通過する。これらの特徴量を含む曲線に囲まれた領域の面積は、金属のサイズが小さくなるに伴って小さくなる。この面積の値を他の特徴量とし、金属のサイズを識別することができる。加えて、これらの特徴量の大小から、導電率、透磁率の異なる各種の金属を識別することも可能である。すなわち、前記Ｘ_ｆ１、Ｙ_ｆ２、Ｘ_ｆ３、Ｙ_ｆ４の大小から金属のサイズ、種類を識別することができる。

以上のように、本実施形態では、信号発生源１１の周波数を、磁界発生部１の励磁コイル１３および第１コンデンサ１４で構成される第１の共振系、ならびに、磁界検出部２の検出コイル２１および第２コンデンサ２２で構成される第２の共振系の共振周波数とするか、または共振周波数の±１０％の範囲の周波数とする。このため、磁界発生部１の励磁コイル１３および第１コンデンサ１４で構成される第１の共振系により、効率よく磁界を発生することができ、低消費電力化を実現できるとともに、磁界検出部２の検出コイル２１および第２コンデンサ２２で構成される第２の共振系により、数十ＭＨｚ以上の高い周波数域の微小な磁界の変化を感度よく検出することができる。したがって、低消費電力でありながら、微小な金属に対する検出感度が高い金属検出機を実現することができる。

なお、以上の例では、励磁コイル１３と第１コンデンサ１４で励磁回路を構成して第１の共振系とし、検出コイル２１と第２コンデンサ２２で検出回路を構成して第２の共振系としたが、励磁回路の第１コンデンサ１４を省略して、励磁回路を励磁コイル１３のみとし、励磁コイル１３、検出コイル２１、第２コンデンサ２２で一つの共振系を構成してもよい。この場合は、この一つの共振系により、効率よく磁界を発生して低消費電力化する効果と、数十ＭＨｚ以上の高い周波数域において、微小な磁界の変化を感度よく検出することができる効果の両方を担うことができる。

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第二の実施形態に係る金属検出機を示す回路図である。本実施形態に係る金属検出機３０は、第一の実施形態の金属検出機１０に加え、磁界発生部１に第１電気抵抗３１が接続され、磁界検出部２に第２電気抵抗３２が接続されている。その他は第一の実施形態の回路と同様に構成されているため、図１と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態において、第１電気抵抗３１は励磁コイル１３に直列に接続され、第２電気抵抗３２は検出コイル２１に直列に接続されている。これら第１および第２電気抵抗３１、３２により、磁界発生部１の励磁コイル１３および第１コンデンサ１４で構成される第１の共振系、磁界検出部２の検出コイル２１および第２コンデンサ２２で構成される第２の共振系の品質係数を調整することができる。これにより、高い感度を維持しつつ、動作を安定化することができる。

第１電気抵抗３１および第２電気抵抗３２は、必ずしも両方存在する必要はなく、いずれか一方であってもよい。また、品質係数をより調整しやすくする観点から、第１電気抵抗３１、第２電気抵抗３２は、可変抵抗であってもよい。本実施形態においても、励磁回路の第１コンデンサ１４を省略して、励磁回路を励磁コイル１３のみとし、励磁コイル１３、検出コイル２１、第２コンデンサ２２で一つの共振系を構成してもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々変形することが可能である。例えば、上記実施形態では原理的な説明を主体とするため、被検体の搬送系等の回路以外の部材の説明を省略したが、回路以外の部材としては、一般的な金属検出機に用いられているものを適用すればよい。

１磁界発生部
２磁界検出部
３被検体
４被検体の移動方向
１０，３０金属検出機
１１信号発生源
１２電力増幅器
１３励磁コイル
１４第１コンデンサ
１５励磁コイルの芯棒
２１検出コイル
２２第２コンデンサ
２３信号処理回路
２４信号増幅器
２５混合器
２６フィルタ回路
２７負荷
２８検出コイルの芯棒
３１第１電気抵抗
３２第２電気抵抗

Claims

被検体に磁界を印加する磁界発生部と、前記被検体に含まれる数十μｍ以下の微小な金属異物によって生じる磁界の変化を検出する磁界検出部とを備え、その磁界の変化から前記被検体中の前記金属異物を検出する金属検出機であって、
前記磁界発生部は、所定周波数の信号を発生する信号発生源と、前記信号を増幅させる電力増幅部と、前記電力増幅部で増幅された電力により磁界を発生する励磁回路とを有し、
前記磁界検出部は、前記磁界発生部で発生された磁界の変化を検出する検出回路と、前記検出回路により検出された検出信号を信号処理する信号処理回路とを有し、
前記励磁回路と前記検出回路とは共振系を構成し、前記信号発生源の周波数を共振周波数の±１０％以内の範囲で掃引し、前記励磁回路の励磁信号に対する検出回路により検出された検出信号の同相成分および直交成分のそれぞれの極大値および極小値のいずれか、またはそれらを含む各周波数における検出信号の同相成分および直交成分をそれぞれ２次元の座標上にプロットして得られる曲線によって囲まれた領域の面積を特徴量として前記微小な金属異物を検出することを特徴とする金属検出機。
前記励磁回路は、励磁コイルと、前記励磁コイルと並列に挿入された第１コンデンサとを有し、
前記検出回路は、検出コイルと、前記検出コイルと並列に挿入された第２コンデンサとを有し、
前記共振系は、前記励磁コイルおよび前記第１コンデンサで構成される第１共振系、ならびに前記検出コイルおよび前記第２コンデンサで構成される第２共振系を有することを特徴とする請求項１に記載の金属検出機。
前記励磁回路は、励磁コイルを有し、
前記検出回路は、検出コイルと、前記検出コイルと並列に挿入されたコンデンサとを有し、
前記共振系は、前記励磁コイルと、前記検出コイルと、前記コンデンサで構成されることを特徴とする請求項１に記載の金属検出機。
前記励磁コイルに直列に接続される第１電気抵抗および前記検出コイルに直列に接続される第２電気抵抗の少なくとも一つの電気抵抗をさらに有し、前記電気抵抗により前記共振系の共振周波数における品質係数を調整することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の金属検出機。
前記信号処理回路は、前記検出信号を増幅する信号増幅器と、前記信号増幅器の出力および前記信号発生源の出力を乗算するための混合器と、フィルタ回路とを有していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属検出機。
前記磁界検出部を複数備え、各々の磁界検出部を近接して配置し、少なくとも一つの磁界検出部の出力を参照信号とし、他方の磁界検出部による出力を検出信号とする差動方式とすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の金属検出機。
検査範囲に前記被検体が存在しない時刻における磁界検出部の出力を参照信号とし、該参照信号と前記被検体に含まれる金属による磁界変化の出力信号の差分を検出信号とする時分割方式とすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の金属検出機。