JP2001235549A - アクティブ形金属センサとその安定化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】アクティブ形金属センサを安定化し、感度の向
上を図ると共に妨害導電体の影響を防ぎ適用範囲を広げ
る。対象導体の概略形状の認識を可能とする。 【構成】導電物質に十分に磁界が入りこまない、離れた
場所にある対象導電物質を探知する目的で、励磁コイル
に電流を流した後この電流を遮断する。電流遮断後の励
磁コイルの過渡電圧波形を監視し、この過渡電圧波形が
規定のレベルに低下した時点で、コイル電圧をサンブル
して電圧Ａとする。電圧Ａをサンブルした直後さらにコ
イル電圧を引き続いてサンブルして電圧Ｂとする。この
電圧Ａまたは電圧Ｂにオフセット電圧を加えて差動増幅
し、この出力電圧で励磁コイルの磁界中にある導電物質
を高い感度で検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高感度の金属探知を実
現するものである、不可視部分にある金属の位置を探知
する事が可能であり、金属センサ、距離センサ、近接ス
イッチなどに応用が可能である。特に金属センサを地雷
探知に利用しようとすると、最近のプラスチック地雷に
は金属として、微少な鉄球と小型のバネしか存在せず、
この探知は極めて困難であつた。本発明は探知機の感度
と安定度を上げてこの目的を達成できるだげでなく、概
略の形状認識も可能となる。

【０００２】

【従来の技術】金属を探知する方法として磁界の変化、
電磁波、超音波、Ｘ線などを利用したものがありそれぞ
れ特徴がある。電磁波を利用したものはレーダ方式によ
るものや、対象導体の存在によって誘導電流や透磁率が
検出コイルの等価インピーダンスを変化させることを利
用したものがあった。レーダ方式は装置のコストが高
く、埋設物を探知する場合は地質や含水量によって影響
を受けたり金属以外のものにも反応する欠点があった
り、センチメートル単位の近距離での探知が困難な欠点
があつた。

【０００３】また、探知導体によって誘導電流や透磁率
が変化することを利用して探知導体を検出する方法は、
検出用の信号周波数を下げると比較的地質の影響を受け
にくい特徴がある。検出コイルの等価インピーダンスの
変化を利用する方法は２個のコイルを差動に接続した
り、ブリッジ回路によって感度を上げる方法が一般的で
あり、感度と指向性が充分ではなかった。

【０００４】これらの欠点を除く方法として、磁界発生
コイルの電流を遮断したときの、励磁コイルと探知導体
との相互作用による過渡現象の変化を利用するアクティ
ブ形の方法もあり、励磁コイルと受信コイルを共用する
こともでき、比較的に指向性や感度も改善することが可
能となった。

【０００５】この実例として、特表平２−５００２１５
６や特開平５−２３２２４５などがある。しかし、両者
の方法は励磁コイル電流を遮断した後の過渡電圧をその
まま漫然と測定しているだけで、感度を上げたり、検出
レベルを安定化する工夫はされていない。しかも、両者
の明細書にあるコイルの過渡応答は比較的に近距離の対
象物に対応する場合であり、対象とする導電材料に十分
に磁界が入りこんだ状態だけに対応している。対象とす
る導電材料までの距離が大きい場合は対象とする導電材
料へ十分に磁界が入込むことができず、コイルの過渡電
圧変化もこれらの明細書に書かれた波形と異なり、効果
的に過渡電圧から対象物を探知できる測定のタイミング
は極めて限られた時間しかないので、励磁コイルの電流
遮断後の過渡電圧波形をそのまま漫然と測定しているだ
けではとても高い感度のセンサを得ることは困難であつ
た。また、従来の方式では、感度が十分に得られないだ
けでなく、励磁コイルの定数が変化すると再度装置を調
整する必要がある欠点もあった。更に、励磁コイルの近
傍に妨害探知導電物質があると、感度が著しく低下した
り、検知信号を増幅する目的の増幅器が飽和して対象探
知導電体の検出が不可能な場合もあった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、アクティ
ブ形金属センサの感度をさらに向上させるための手法を
多くの数値計算、実験とシミュレーションなどによって
考察した。その結果、対象とする導電材料へ十分に磁界
が入りこまない離れた場所にある金属を探知する場合
は、励磁コイルの電流遮断後の電圧波形で金属の有無を
検知できるタイミングは、励磁コイルに蓄積されたエネ
ルギーによる過渡現象と、対象金属からの誘導で起きる
過渡現象による電圧レベルが受信コイルにおいてほぼ同
じレベルにある点が最も良いタイミングであることを見
だし、この適切なタイミングを自動的に見出して、励磁
コイルの定数変化、励磁コイルの電流をスイッチングす
るスイッチング素子のパラメータ変化によるスイッチン
グ時間の変化や、コイルに加えられる電圧の変化などの
変動要因による安定度の劣化を防ぐことが課題である。
また、地球磁場などの外部変動磁界などの外乱に対して
もこの原因による安定度の劣化を防ぐことも課題であ
る。さらに、励磁コイルや受信コイルを複数同時に使用
した場合、励磁コイルのそれぞれのスイッチング時間の
差が安定な検出を妨げる要因ともなっていてこの問題を
解決することも課題である。

【０００７】

【問題を解決するための手段】励磁コイルに励磁電流を
流してパルス磁界を発生させ、この電流を遮断した場合
の励磁コイルまたは、受信コイルの過渡的な電圧波形
は、対象とする導電物質に十分に磁界が入り込んだ場合
は図１に示すように対象導体が存在する場合と、存在し
ない場合にはに示すように過渡電圧波形の全体が変化す
るので特表平２−５００２１５６や特開平５−２３２２
４５などの方法である程度の目的が達成できる。

【０００８】対象とする導電物質に十分に磁界が入り込
めない、遠方に対象導体がある場合、その過渡現象は、
図２に示すように励磁コイルの過渡電圧値が減衰し、殆
ど０に近づいた点に限ってようやく検知できるレベルの
過渡電圧の影響が現れる。図２の電圧レンジは図１と比
較すると、数千から数１０万倍小さい値である。これ
は、対象導電物質に十分磁界が入りこんでいない場合
は、対象導電物質に流れる誘導電流も小さく、この電流
との相互作用で受信コイルに現れる電圧は励磁コイルそ
のものに蓄積されたエネルギーによる過渡電圧から比較
すると無視できるほど小さく、その検出はきわめて困難
である。また、励磁電流が十分に減衰する時間まで待っ
て、励磁電流のエネルギーがほぼゼロになるのを待って
対象導電物質からの誘導電圧を選択的に観測することは
可能であるが、このタイミングでは対象導電物質からの
誘導電圧は大幅に減衰して測定が困難であるだけでな
く、この値そのものだけでなく、対象とする導電物質に
磁界が入り込む量が少ないほど、図３に示すように、絶
対値そのものだけでなく、時間的な変化量も極めて少な
くなり、この量は前記した多くの変動要因のレベルより
も低くなり観測することがきわめて困難であるとの結論
に達した。

【０００９】この問題を解決する目的で、数値解析や多
くの実験とシミュレーションの結果、過渡電圧をサンプ
リングする最適なタイミングは、励磁コイル自身に蓄積
されたエネルギーによる過渡電圧と対象導電物質から電
磁誘導されて励磁コイルに発生する電圧のレベルがほぼ
等しいレベルにある極めて短時間に限り、過渡現象の変
化を最も容易に捉えることができることを見出した。こ
の結果から見ると、特表平２−５００２１５６の第９図
にある時間の設定値が互いに異なる回路（８６）におい
てこの時間設定を適値となるように設定すれば、ある程
度の目的は達成される。しかし、対象導電物質に十分磁
界が入りこんでいない場合は、対象導電物質に流れる誘
導電流も小さいだけでなく、サンプリングする時間のタ
イミングの条件は極めて厳しく、当該特許明細書第９図
のようにあらかじめ定められた測定時間で測定しても、
タイミング発生回路の時間的変動、励磁コイル電流をス
イッチングするスイッチング素子の特性変動、励磁コイ
ル定数の変動などによって最適タイミングがずれて検出
出力が不安定になることが明白になった。

【００１０】この場合、あらかじめ定める時間設定を水
晶発信器などの周波数精度の高い発振器の発振周波数を
デジタル的に分周して得た正確な時間を用いて、データ
をサンプリングするタイミングの精度を上げ、時間の変
動による不安定要素をある程度除くことも可能である。
しかし、回路が複雑になったり、サンプリングするタイ
ミングを前記方法で正確に保つ方法を実施しても、スイ
ッチング速度やスイッチング素子の電極間容量などの変
動要因によって検出出力が不安定となる問題を取り除く
ことができなかった。

【００１１】同じ理由で、特開平５−２３２２４のよう
に過渡現象の継続する時間を計測する方法も時間計測を
デジタル的に高い精度で測定しても、上記変動要因のう
ち、特にスイッチング素子の温度変化によるスイッチン
グ時間の変動とスイッチング素子の電極間容量の変動に
よって不安定な動作をする問題があり、安定で高い感度
のセンサを得るには大きな障害となっていた。

【００１２】ここで、データをサンプリングするタイミ
ングのずれの問題を取り去る目的で、特表平２−５００
２１５６の第９図にあるような、あらかじめ設けた測定
時間の設定部分を廃止し、この代りに励磁コイルの過渡
電圧波形を高速で高精度の比較器に取り入れ、この比較
器の出力で過渡電圧第１回目のサンプリングを開始する
時間を制御することを試みた。すなわち、この比較器の
動作するレベルを励磁コイル自身に蓄積されたエネルギ
ーによる電圧と対象導電物質から誘導されて励磁コイル
に発生する電圧のレベルがほぼ等しいレベルになるよう
に設定する。この結果、例え上記変動要因によって測定
ポイントが時間的にずれても、サンブリングを開始する
ポイントは比較器の動作電圧レベルで決定されるので、
サンブリングを開始する最適時間が上記要因によってず
れたとしても、この時間のずれと関係なく自動的に最良
のサンプリングポイントで電圧の測定が開始されるの
で、安定でしかも高い感度のセンサを得ることが可能と
なる。また、第一のサンプリングと第二のサンプリング
を行いこの電圧を差動増幅すると、励磁コイルから定ま
った距離にある、妨害導電体があってもこの妨害導電体
からの誘導電圧の測定を自動的に避ける作用もするので
一石二鳥である。

【００１３】

【作用】励磁コイルに励磁電流を流してパルス磁界を発
生させると、この磁界の中にある探知導体にも誘導によ
って電流が流れる。励磁コイルに電流が流れている期間
は探知導体にも励磁コイルに流れた電流にほぼ比例した
誘導電流と呼ばれる電流が流れる。励磁コイルに流れて
いる電流を急速に遮断すると、探知導体に流れていた電
流は探知導体に流れた電流ループの等価インダクタンス
をＬ、等価抵抗をＲｄとするとＴｅ＝Ｌ／Ｒｄとなる時
定数Ｔｅで減衰する。

【００１４】したがって、励磁コイルの電流遮断時間を
Ｔｅに比べて充分に短い時間で遮断し、励磁コイルに残
留していたエネルギーが充分に減衰してから検出コイル
で受信すると探知導体に流れている電流によって発生し
た磁界だけを選択的に検出して探知導体の存在を検出す
ることが可能となる。しかし、検知対象とする導電材料
までの距離が大きい場合は対象とする導電材料へ十分に
磁界が入込むことができず対象導体に流れた電流による
磁界を検知することは極めて困難となる。しかも、対象
導体の等価的な時定数は励磁コイルの時定数と比較する
と極めて大きく、励磁コイルに流れる電流が減衰してか
らでは対象導体に流れる電流の時間的な変化は極めて小
さくこの検出は困難である。

【００１５】ここで、励磁コイルに残留するエネルギー
による電流と、対象導体からの誘導による電流がほぼ等
しいレベルにあるときに限って、対象導体に流れる電流
の時間的な変化をとらえ易くなることを見出した。数値
解析では、探知導体の存在する場合と、存在しない場合
の励磁コイル電圧の絶対値変化は励磁コイルの遮断直後
が最も大きい、しかしこの電圧は励磁コイルを遮断する
速度の影響を強く受け、しかも変化速度も図４に示すよ
うに大きく励磁コイルの電流をスイッチングするスイッ
チング速度が変化すると検出電圧が大きく変化するたげ
でなく、電圧レベルそのものも大きく、高い利得で増幅
することが困難である。

【００１６】図４に示す状態では、電圧レベルの時間に
対して微分した値は極めて大きく、スイッチング時間
や、サンブリング時間の変動に対して、検出電圧が不安
定となりやすい。また、電流を遮断してからの時間が経
過するほど探知導体の存在する場合と、存在しない場合
の励磁コイル電圧の絶対値変化は小さくなるが、時間に
対する微分値は桁違いに小さくなり、時間軸の変動に対
して影響が少なくなり、高い利得の増幅器に加えやすい
レベルとなる。しかし、時間が経過し過ぎると、図３に
示すように、コイル電圧の絶対値だけでなく変化そのも
のが小さくなり、測定も困難になる。したがつて、最適
な電圧サンブリングのタイミングは、遮断時間のジッタ
の影響を受ける割合と時間が経過して受信信号が減衰し
過ぎて感度が低下する割合とのトレードオフとなる最適
なポイントが存在することになる。このタイミングの決
定をあらかじめ定めた時間ではなく、受信電圧レベルで
決定することにより、容易に最適なサンプリングタイミ
ングが容易に得られ、スイッチング素子のパラメータ変
動の影響も防ぐことができる。

【００１７】以上を数式で持って説明すると、励磁コイ
ルに電圧を加え、その後遮断した時の電圧は数１で示す
値となる。ここで、数１の右辺分子の値を見ると、１項
目は値そのものが小さくしかも時定数が大きく電圧はゆ
っくり減衰する、２項目の値そのものが大きく時定数が
小さく急速に減衰する。したがつて、励磁コイル遮断直
後は上記２項目の値が極めて大きく１項目は無視できる
ほど小さい。したがつて、励磁コイルの電流遮断直後は
両者の相対値の差が大きくで対象導体によって値が変化
する微少な１項目の値を検出することは困難である。励
磁コイル電流を遮断してからの時間が経過し２項目の値
が減衰し、１項目のレベルと同等になつた時点で、始め
て両項を容易に比較できる事がわかる。このタイミング
が最適の電圧サンブリングのタイミングとなり、このタ
イミングは、コイルのパラメータによって変化するの
で、定められた時間で決定するよりも、電圧レベルで決
定する方が合理的であることがわかる。

【００１８】このポイントは、前記したように、励磁コ
イル自身に蓄積されたエネルギーによる過渡電圧と対象
導電物質から誘導されて励磁コイルに誘導する電圧のレ
ベルがほぼ等しいレベルになるポイントと同じ意味を持
つ。このタイミングは励磁コイルを遮断してからの決ま
った時間ではなく、励磁コイルの電圧レベルで決定した
方がより正確に捉えることができることがわかる。これ
を実現する目的で、コイルの受信電圧を比較器に加え、
この電圧が適値になったときに、比較器が動作するよう
に比較器の比較電圧の閾値をあらかじめ設定しておき、
一回目のサンブリング時間はこの比較器の動作した時間
で決定する、二回目のサンプル時間は更にレベルをわず
か下げた同様の比較器の出力で決定しても良いし、タイ
マを利用して、一回目のサンブル時間から一定の時間を
経過してから二回目のサンブルをするようにしても、結
果はほぼ同じである。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例を図５において説明すると、
駆動パルス発生器２の出力でスイッチング素子４を駆動
し、電源３の電圧をパルス状に励磁コイル１に加える。
スイッチング素子４が遮断すると、駆動コイルに蓄えら
れたエネルギーの大半はダンピング回路５の等価抵抗に
よって吸収される。励磁コイル電圧は、スイッチング素
子４が遮断した場合大きな電圧が発生するが、この電圧
値は励磁コイルの電圧を遮断する直前に励磁コイルに流
れていた電流と、ダンビング回路の等価抵抗で決定さ
れ、電圧が減衰する時定数は、ダンビング抵抗の等価抵
抗値Ｒｄ、励磁コイルのインダクタンスをＬとすると、
Ｌ／Ｒｄによって決定される。この電圧値が高過ぎる場
合は分圧器や、電圧クランプ回路で電圧を減衰させ、必
要に応じてバッファアンプなどを通し処理しやすい電圧
に変換する。図５では、励磁コイルと受信コイルを共用
した例を示したが、ぞれぞれのコイルを別にもうけるこ
ともできる。

【００２０】処理しやすい電圧に変換されたコイル電圧
は比較器１７の入力と、電圧サンプリング用スイッチ
６、７に加えられる。比較器１７の一方の入力は基準電
圧１２の安定な電圧を抵抗１３、１４による分圧器で分
圧された電圧が加えられている。この電圧値は比較器１
７が動作する閾値を決定する重要な電圧である。比較器
の動作遅れが無視できない場合は、この遅れも考慮して
電圧を決定する。

【００２１】比較器１７の出力は同期式パルス発生器１
８に加えられる。パルス発生器１８の出力はパルス分配
器１９のフリップ・フロップまたは、カウンターに加え
られる。パルス分配器１９の作用は、比較器１７の出力
があると、直ちに同期式パルス発生器の発振周期Ｔｓで
決定されるパルス幅だけ、電圧サンプル用スイッチ６を
ＯＮさせる。同期式パルス発生器の次の周期では、電圧
サンプル用スイッチ６はＯＦＦとなり、電圧サンプル用
スイッチ７が発振周期ＴｓだけＯＮとなるようにする。
ここで、パルス分配器１９がフリップ・フロップの場合
は次の周期で励磁コイルの電流が遮断するまで、パルス
分配器の出力を停止する機能が必要であるが、図では省
略した。また、パルス分配器をカウンターで構成した場
合は図６に示すように、電圧サンプル用スイッチ６をＯ
Ｎさせた後適当に遅れ時間を空けてから圧サンプル用ス
イッチ７が発振周期ＴｓだけＯＮとなるようにすること
も可能となる。また、前記したように、スイッチ７をＯ
Ｎするタイミングはパルス分配器を利用せず、前者の比
較器よりもわずか閾値を下げた比較器の出力で動作させ
ても同じ結果が得られる。

【００２２】また、図５に示す遅れ時間Ｄｔは、図５で
示したようにデジタル式に決定しても良いが、別のタイ
マを設け、任意に可変することも可能となる。この遅れ
時間Ｄｔは小さいほど差動増幅器の特性が発揮されて、
外乱に対する抑制効果が高まり、高い次数のノイズも大
幅に低減することができるが感度は低下する、Ｄｔを大
きくすると感度は上がるが外乱の抑制効果は低下するの
で、両者のトレードオフで決定する。

【００２３】このようにして、受信コイルの電圧を電圧
サンプル用スイッチ６と、電圧サンプル用スイッチ７で
交互に取り込み、それぞれに取りこんだ信号を積分器に
加えるか、ピークホールドをしてから差動増幅器９に加
える。この差動増幅器９の出力を直流増幅器に加え、出
力１１を得る。フイードバック抵抗８は出力の一部を９
の入力部分に戻し、負帰還をかけ安定度を改善する目的
に使用する。ここで、差動増幅器９は前段増幅器の作用
と、フイードバック抵抗８の電圧や、基準電圧１２を分
圧器１２，１３で分圧して得たオフセット電圧を必要な
極性に変換してサンブルした信号の差分値に対し加算ま
たは減算する作用も併せ持つようにする。また、抵抗８
の後に積分器を入れてから入力に負帰還をかけ、長期ド
リフトを軽減することも可能である。これらの作用は図
５で示すアナログ回路に限らず、サンプリングした電圧
をデジタル信号に変換し、ＣＰＵによる演算やＤＳＰで
処理し、積分や差分の作用を持たせることも可能であ
る。

【００２４】図５は励磁コイルと検出コイルを共用した
例であるが受信コイルと励磁コイルを分離しても同様に
本発明を実施することが可能である。また、励磁コイル
を一つに対して受信コイルを複数個設け、それぞれに同
様な受信機器で信号を検出して、探知導体の位置や概略
の寸法を推定することも可能となる。また、励磁コイル
や受信コイルには、損失の少ない鉄芯やフェライトコア
を使用すると指向性が鋭く、感度の高い検出器を得るこ
とができる。

【００２５】さらに、励磁信号を、互いに同期を取った
複数の励磁コイルやアレイ状に並べた多数の受信コイル
によって二次元的に検出し、この出力をそのまま、また
は隣接するコイル出力の差分を二次元に表示して、探知
導体のイメージをよりリアルに表示することも可能とな
る。もちろん、微小な検出コイルを利用し、このコイル
を物理的に走査して、探知導体の二次元的または三次元
で導電率の分布を表示することも可能となり、非破壊の
検査装置としての利用も可能である。図７はこの場合を
図示したもので、方形の単一励磁コイル１でパルス磁界
を発生させ、２〜６またはこれと同一の符号を持つ受信
コイルをアレイ状に並べた場合を図示しものである。図
７で方形の単一コイル１を取り除き、受信コイルを励磁
コイルと共用することもでき、この方が磁界の分布を均
一にできる。

【００２６】本方式では、複数の励磁コイルと受信コイ
ルを互いに影響を与えず配置できる特徴があり、しかも
棒状コアを励磁コイルや受信コイルに入れると強い指向
性を持たせることができる。この場合、対象導電体が棒
状であったり、一辺が長い場合、この長さ方向に棒状コ
アの軸が一致する場合に最も感度が上がる。この特性を
利用して、互いに直角に配置した棒状コア入りの励磁コ
イルまたは受信コイルを利用し、それぞれの軸方向に対
する出力比で対象導電体がどちらの方向に長いかを知る
ことができる。この場合、それぞれの軸の受信コイルに
対し、同時に励磁しても、互いにタイムシェアリングを
持って使用しても良い。

【００２７】また、探知導体からの返送信号は探知導体
の導電率によって変化する減衰波形となるので、図６の
遅れ時間Ｔｄを変化させ、この時間変化に対する出力の
変化から探知導体の等価抵抗の違いを検出し、探知導体
の種別を推定することも可能となる。

【００２８】また、外部の高周波信号の誘導を防ぐに
は、探知導体よりも等価直列抵抗が高く、時定数の大き
い材料でシールドをすると検出感度を低下させずに効果
的に誘導を防ぐことが可能である。具体的な材料とし
て、鉄などの比較的に比抵抗の高い金属による金網、絶
縁された細線による金網などが有効であり、意図的に損
失をを大きくした多くのシールド材料でも同様な目的を
得ることができる。この方法は簡単に見えるが、従来方
法である比較型の検出方法ではバランスが崩れて応用が
できない方法であった。本発明による探知導体の等価時
定数によって選択的な検出ができる特徴と、検出器の定
数が変化しても検出器のゼロ点のずれない二つの特徴を
有効に利用したものである。

【００２９】本実施例は探知導体から返送される磁界を
コイルによって検出した例を示したが、磁界の検出はコ
イルに限らず、ホール素子や磁気抵抗素子、直交フラッ
クスゲートセンサ、ＳＱＵＩＤなどの磁気検出素子を利
用しても実施できる。磁界を直接検出する素子ではこの
素子の出力を時間に対して微分すればコイル電圧と同等
に取り扱うことができ容易に本発明を実施できる。この
検出素子が磁界の極性に対して絶対値を出力し、その方
向を検出できない場合でも本発明をそのまま利用できる
利点もある。磁界検出素子として磁気検出素子を利用し
た場合は、電気的なフィードバックも可能であるが、補
助のフイードバックコイルを付加し、このコイルにフィ
ードバック電流を流し、この電流で発生した磁界によっ
て負帰還をかけて安定化をはかることもできる。交流バ
イアスが必要な場合はこのバイアス信号の周波数と図５
で示す駆動バルス発生器の周波数をそのまま利用するか
それぞれの比が整数倍となるようにすると都合が良い。

【００３０】

【発明の効果】この発明の効果で最大の特徴は、受信コ
イルの電圧をサンプリングするポイントを定められた時
間ではなく、受信コイルの電圧レベルで決定するので、
この電圧レベルを最適レベルに設定すると、励磁コイル
の駆動電流を遮断するスイッチング素子のパラメータの
変化による、遮断時間のゆれで発生するジッタの影響を
取り除くことが可能となり、安定な探知器を実現するこ
とが可能となる。しかも、励磁コイルや、受信コイルの
定数が変わり、受信レベルが大幅に変化しても、受信コ
イルの電圧サンプリングポイントは常に最適レベルに保
つことが可能となり、感度や指向性を目的に合わせて変
更しても、その度に難しい電圧サンブリングのタイミン
グの設定をする必要がなく実用的である。

【００３１】また、対象とする導電物質に十分に磁界が
入りこまない離れた場所にある導電物質を探知する場合
は受信コイルの受信電圧は極めて低く、比較器の閾値を
決定する比較電圧や、増幅器の初段に加えるオフセット
電圧の変動は、検出出力に大きく影響を与える。しか
し、図５に示すようにこの両者を同じ基準電圧１２から
加えると、この変動は互いに打ち消す方向に作用するの
で、より安定性を高める事か可能となる。

【００３２】さらに、従来は励磁コイルや受信コイルを
アレイ状に配置して、２次元の探知をする場合、それぞ
れの受信機の電圧サンプリングポイントや感度を個別に
設定する必要があったが、本発明の場合は、比較器の閾
値を設定するだけで、すべての受信機の電圧サンプリン
グポイントが最適点に設定され、調整がきわめて簡単と
なる効果もある。また、従来は励磁コイルが複数の場
合、励磁コイルの遮断時間が同一時間となるように同期
を取っても、それぞれの励磁コイルを駆動するスイッチ
ング素子のスイッチング時間のバラツキで特性に大きく
差が出る欠点もあったが本発明では、この時間のずれも
自動的に補正するので複数の受信機を同時に使用する場
合は特に効果が大きい。

【００３３】さらに、受信コイルの電圧波形は、検出す
る探知導体の等価時定数によって決定されるので、図６
に示す遅れ時間を変化させ、この場合の検知出力の変化
を捉えて探知導体の種類を推定することも可能である。
例えば、鉄とステンレスなどは最も容易に検出可能であ
り、コインの選別などにも有効に利用できる。励磁パル
ス幅をさらに狭くし、繰り返し周波数を上げると金属だ
けでなく電解質溶液や、溶融した物質の導電率も非接触
で測定することが可能となる。

【００３４】

【数１】 Ｒ_ｄは励磁コイルに並列に入れたダンピング抵抗の値

【００３５】

【数２】 Ｌ_１は励磁コイルの等価インダクタンス、Ｌ_２は対象導
体の等価インダクタンス、Ｒ_２は対象導体の等価抵抗 ｋは励磁コイルと対象導体との等価結合係数、Ｍはこの
相互インダクタンス ρ_１は励磁コイルの電流を遮断する直前の励磁コイル電
流 Ｔ_ｏｎは励磁コイルＬ_１に電圧Ｅを加えた時間 ρ_２は励磁コイルの電流を遮断する直前に対象導体に流
れていた等価電流

【００３６】

【図面の簡単な説明】

【図１】対象とする導電物質に十分に磁界が入り込んだ
場合の受信コイルの過渡電圧波形

【図２】対象とする導電物質に十分に磁界が入り込まな
い場合の最適なサンブリングのタイミング付近を示す受
信コイルの過渡電圧波形。（電圧レンジは図１と比較す
ると桁違いに小さい。）

【図３】対象とする導電物質に十分に磁界が入り込まな
い場合で最適サンプリング時間よりも時間が経過し過ぎ
た場合の過渡電圧波形。（電圧レンジは図１と比較する
桁違いに小さい。）

【図４】コイル電圧が時間の微分値に対して大きく変化
するタイミングのコイル電圧波形を示す。

【図５】本発明の実施例を示すブロック図である。

【図６】本発明を実施した場合の比較器の動作点とサン
プリングポイントＡとサンプリングポイントＢを示す。

【図７】受信コイル又は送信コイルをアレイ状にする
か、単一の方形コイルで複数の受信コイルを配置した場
合の説明用図面。

【符号の説明】

１ 励磁コイル（受信コイルと共用した場合を示す） ２ 駆動パルス発生器 ３ 励磁コイル駆動用電源 ４ シイジコイル駆動用スイッチング素子 ５ ダンピング回路（分圧、クランプ回路を含む） ６ 電圧サンプリング用スイッチ ７ 電圧サンプリング用スイッチ ８ 負帰還用抵抗器 ９ 差動増幅器（ピークホールドまたは積分器、加減算
器を含む） １０ 高利得直流増幅器 １１ 検出器出力 １２ 基準電圧 １３ 分圧用抵抗器 １４ 分圧用抵抗器 １５ 分圧用抵抗器 １６ 分圧用抵抗器 １７ 比較器 １８ 同期式パルス発生器 １９ パルス分配器（フリップ・フロップ、またはカウ
ンター）

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年４月７日（２０００．４．７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】 １ 励磁コイル（受信コイルと共用した場合を示す） ２ 駆動パルス発生器 ３ 励磁コイル駆動用電源 ４ 励磁コイル駆動用スイッチング素子 ５ ダンピングコイル回路（分圧、クランプ回路を含
む） ６ 電圧サンプリング用スイッチ ７ 電圧サンプリング用スイッチ ８ 負帰還用抵抗器 ９ 差動増幅器（ピークホールドまたは積分器、加減算
器を含む） １０ 高利得直流増幅器 １１ 検出器出力 １２ 基準電圧 １３ 分圧用抵抗器 １４ 分圧用抵抗器 １５ 分圧用抵抗器 １６ 分圧用抵抗器 １７ 比較器 １８ 同期式パルス発生器 １９ パルス分配機（フリップ・フロップ、またはカウ
ンター）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象とする導電物質に十分に磁界が入り
   こまない離れた場所にある導電物質を探知する目的で、
   空芯または磁芯を持つ励磁コイルに電流を流した後この
   電流を遮断する。電流遮断後励磁コイルの電圧を受信コ
   イルと共用した励磁コイルそのもの、またはこの励磁コ
   イルと相互インダクタンスで結合する別の受信コイルで
   受信し、この受信電圧が規定のレベルになった時点で励
   磁コイルの電圧を１回目のサンブリングして電圧Ａとす
   る。１回目のサンプリング後、再び２回目のサンブリン
   グとして励磁コイルの電圧をサンプリングして電圧Ｂと
   する。電圧Ａまたは、電圧Ｂにオフセット電圧を加えて
   から差動増幅しこの増幅器の出力で導電物質を安定に探
   知するアクティブ形金属センサの安定化方法。
2. 【請求項２】 対象とする導電物質に十分に磁界が入り
   こまない離れた場所にある導電物質を探知する目的で、
   空芯または磁芯を持つ励磁コイルに電流を流した後この
   電流を遮断する。電流遮断後励磁コイルの電圧を受信コ
   イルと共用した励磁コイルそのもの、またはこの励磁コ
   イルと相互インダクタンスで結合する別の受信コイルで
   受信し、この受信電圧が規定のレベルＥｓｒになった時
   点で励磁コイルの電圧を１回目のサンブリングとして電
   圧Ａとする。１回目のサンプリング後、再び２回目のサ
   ンブリングとして励磁コイルの電圧をサンプリングして
   電圧Ｂとする。電圧Ａまたは、電圧Ｂにオフセット電圧
   Ｅｏｆｆを加えてから差動増幅しこの増幅器の出力で導
   電物質を安定に探知するアクティブ形金属センサで、電
   圧Ａをサンブリングするための閾値を決定するとなる電
   圧レベルＥｓｒとオフセット電圧Ｅｏｆｆが比例するよ
   うにしたアクティブ形金属センサ。
3. 【請求項３】 対象とする導電物質に十分に磁界が入り
   こまない離れた場所にある導電物質を探知する目的で、
   空芯または磁芯を持つ励磁コイルに電流を流した後この
   電流を遮断する。電流遮断後励磁コイルの電圧を受信コ
   イルと共用した励磁コイルそのもの、またはこの励磁コ
   イルと相互インダクタンスで結合する別の受信コイルで
   受信し、この受信電圧が規定のレベルＥｓｒになった時
   点で励磁コイルの電圧を１回目のサンブリングとして電
   圧Ａとする。１回目のサンプリング後、再び２回目のサ
   ンブリングとして励磁コイルの電圧をサンプリングして
   電圧Ｂとする。電圧Ａまたは、電圧Ｂにオフセット電圧
   Ｅｏｆｆを加えてから差動増幅しこの増幅器の出力で導
   電物質を安定に探知するアクティブ形金属センサで、電
   圧Ａをサンプリングしてから、電圧Ｂをサンプリンクす
   るまでの遅れ時間Ｔｄを変化させ、遅れ時間Ｔｄに対す
   る検出電圧の変化を捉え、対象導電体の導電率の違いを
   知る金属センサ。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２の方式による金
   属センサを複数個配列し、それぞれの励磁コイルの遮断
   時間を一致するように同期を取った金属センサ。
5. 【請求項５】 請求項３の方法による受信コイルをアレ
   イ状に並べ、それぞれの受信コイルによる検知電圧レベ
   ルで対象導体の概略を知る方法。
6. 【請求項６】 請求項１またはは請求項２の方法で励磁
   コイルを単一とし受信コイルを複数個アレイ状に並べた
   金属探知方法。
7. 【請求項７】 請求項１または請求項２の方式による金
   属センサで指向性の異なる複数の励磁コイルまたは受信
   コイルを配置し、それぞれの励磁コイルを駆動する電流
   を同時または時間的にずらせて励磁し、それぞれの増幅
   器出力電圧の差で対象導体の形状を知る方法。