JP6413111B2 - 磁性体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁性体の存在を検出するための磁性体検出装置に関するものであり、特に磁気センサとして一対または複数対の磁気センサを用いるものに関する。

磁性体を検出するための磁性体検出装置が広く用いられている。この磁性体検出装置は具体的には例えば、金属探知機として、例えば特許文献１などに記載されている。特許文献１には、１つの磁気発生源と磁気センサとして一対の検出コイルとを備え、１つの磁気発生源が発生する交番磁界、および、該金属探知機の近傍に金属などの検出対象物が存在する場合にはその交番磁界による金属の電磁的反応とを前記一対の検出コイルのそれぞれにより受信し、両者の出力を比較することにより前記検出対象物の存在の有無を検出するものである。

特許文献１に記載のような金属探知機の手法においては、磁気センサを構成する一対の検出コイルの出力を比較することにより検出対象物の存在を検出することから、前記一対の検出コイルの磁気検出における分解能が金属探知機の検知能力を左右することとなる。そのため、特許文献１においては、金属を含む被検査体（検出対象物）が一方の検出コイルを通過し出力信号が立ち上がった場合、タイマにより被検査体が一対の検出コイル間を移動する時間だけ経過した後にマルチバイブレータがパルスを発する構成を有し、該パルスと前記被検査体が他方の検出コイルを通過することによるその出力信号とをＡＮＤ回路で処理することにより、より低いしきい値により金属検出を行う発明が開示されている。

一方、特許文献２は、ゲート型の磁性体検出システムを開示している。具体的には特許文献２においては、高感度な磁気インピーダンスセンサ（ＭＩセンサ）を用いた磁性体検出装置が開示されている。これは、磁性体が自然着磁されていることを前提に、その磁性体が持ち運ばれるなどして移動することに伴う磁場の変動を前記磁気インピーダンスセンサにより検出することにより、磁性体がそのゲートを通過したことを検出するものである。特許文献２に開示に技術においては、所望の信号、すなわち磁性体を所持する人が通過したことに伴う磁場変動信号が所望の大きさ以上になるように、磁気インピーダンスセンサからの信号から地球磁場などの周囲磁場成分を除去するために、帯域通過濾波器が設けられている。

特開平７−１９８８６０号公報 特開２００３−１８５７５９号公報

しかしながら、特許文献１の金属探知機は、例えばベルトコンベヤで被検査体が移動させられるなど、一対の検出コイル間を被検査体が一定速度で移動することが前提となっており、それ以外の場合に応用することは困難が生ずる。また、特許文献２の磁性体検出システムにおいては、予め定められた周波数成分以外の成分を除去できず、周囲磁場成分を十分に除去できない場合が想定される。検出すべき磁性体からの信号と同じ周波数帯域で周囲磁場成分が変動する場合は、磁性体からの信号の大きさが周囲磁場成分の変動に対して十分に大きい必要があるため、微小な磁性体の検出が困難である。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、周囲磁場成分の影響をより低減することにより精度のよい検出が可能な磁性体検出装置を提供することにある。

かかる目的を達成するための第１の発明は、（ａ）複数の磁気結合型グラジオセンサを含んで構成される磁性体検出装置であって、（ｂ）該磁気結合型グラジオセンサのそれぞれは、一対の磁気センサと、該一対の磁気センサを磁気的に結合する比透磁率が１００以上の結合部材とを含んで長手状に構成され、（ｃ）前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれは、長手方向の向きが直線上になるように配置され、（ｄ）該磁性体検出装置は、前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの長手方向において該磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの両端から該長手方向かつ該磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの中心から離れる向きにそれぞれ１５０ｍｍ以内、および、前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの径方向において、前記一対の磁気センサの間隔Ｌとした場合において前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれを中心とした半径３Ｌ以内の範囲を検出範囲とし、（ｅ）該検出範囲における検出対象の有無を検出すること、を特徴とする。

第１の発明に係る磁性体検出装置によれば、複数の磁気結合型グラジオセンサを含んで構成され、該磁気結合型グラジオセンサのそれぞれは、一対の磁気センサと、該一対の磁気センサを磁気的に結合する比透磁率が１００以上の結合部材とを含んで長手状に構成され、前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれは、長手方向の向きが直線上になるように配置され、該磁性体検出装置は、前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの長手方向において該磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの両端から該長手方向かつ該磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの中心から離れる向きにそれぞれ１５０ｍｍ以内、および、前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの径方向において、前記一対の磁気センサの間隔Ｌとした場合において前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれを中心とした半径３Ｌ以内の範囲を検出範囲として、前記磁気結合型グラジオセンサにおける信号レベル比を考慮して該検出範囲における検出対象の有無を判断することができるとともに、前記複数の磁気結合型グラジオセンサを用いることで、それらの検出範囲を効率的に補完され、磁性体検出装置における検出範囲を広げることができる。

好適には、前記磁性体検出装置において、前記磁気結合型グラジオセンサは、地磁気の垂直方向の磁界成分の変化を検出するように設けられた磁気結合型グラジオセンサを少なくとも１つ含むこと、を特徴とする。このようにすれば、前記磁気結合型グラジオセンサにおける結合部材に地磁気の垂直方向の磁束成分が流れ、前記一対の磁気センサにより該地磁気の垂直方向の磁束成分の変化が検出されるので、磁性体検出のための磁気形成コイルのような磁場発生源を必要としない構成が可能となる。

好適には、前記磁性体検出装置において、前記磁気結合型グラジオセンサは、地磁気の水平方向の磁界成分の変化を検出するように設けられた磁気結合型グラジオセンサを少なくとも１つ含むこと、を特徴とする。このようにすれば、前記磁気結合型グラジオセンサにおける結合部材に地磁気の水平方向の磁束成分が流れ、前記一対の磁気センサにより該地磁気の垂直方向の水平成分の変化が検出されるので、磁性体検出のための磁場発生源を必要としない構成が可能となる。

好適には、前記磁性体検出装置は、前記磁気結合型グラジオセンサを複数有し、該複数の磁気結合型グラジオセンサの出力信号に基づいて磁性体を検出する磁性体判別部を有することを特徴とする。このようにすれば、前記磁気結合型グラジオセンサが複数設けられるので、磁性体検出装置が磁性体を検出することのできる検出対象範囲を大きくすることができる。

また、好適には、前記磁性体検出装置は、前記磁気結合型グラジオセンサを複数有し、前記磁性体判別部は、該複数の磁気結合型グラジオセンサの出力信号に基づいて、磁性体の位置および該磁性体の磁力の強さ、磁性体の大きさの少なくとも１つを推定することを特徴とする。このようにすれば、複数の磁気結合型グラジオセンサの出力信号に基づいて磁性体の有無のみならずその位置、磁気の強さ、あるいは、磁性体の大きさについての情報が得られる。

本発明の一実施例である磁性体検出装置の構成の概要を説明する図である。 図１の磁性体検出装置におけるセンサ部とそれを駆動する回路部の概要を説明する図である。 図１の磁性体検出装置における回路部のうち、主にセンサ部からの出力信号を処理する部分の機能を説明する図である。 図１の磁性体検出装置における制御部の機能の概要を説明するブロック図である。 磁性体とセンサ部との距離に対するセンサ部の信号レベル比変化を測定する環境を説明する図であって、磁性体がセンサ部のアモルファスワイヤの長手方向に垂直な方向に離れる場合の図である。 図５の環境における磁性体とセンサ部との距離に対するセンサ部の信号レベル比の関係を説明する図である。 本実施例の磁性体検出装置の出力信号の例であって、磁性体が存在しない場合、および、センサ部からそのセンサの長手方向に垂直な方向に磁性体が複数種類の距離だけ離れた位置にある場合の例を比較する図である。 （ａ）磁性体とセンサ部との距離に対するセンサ部の信号レベル比変化を測定する環境を説明する図であって、磁性体がセンサ部のアモルファスワイヤの長手方向に離れる場合の図と、（ｂ）その場合の磁性体とセンサ部との距離に対する信号レベル比の関係を説明する図である。 本実施例の磁性体検出装置における磁性体の検出可能範囲の例を示す図である。 本実施例の磁性体検出装置のセンサ部の設置例を説明する図である。 本発明の別の実施例である２つのセンサ部を有する磁性体検出装置のセンサ部の設置例を説明する図である。 本発明の別の実施例の磁性体検出装置における制御部の磁性体判別部の制御作動の一例を説明するフローチャートである。 本発明の別の実施例の磁性体検出装置において、磁性体の位置の推定作動における判定条件を説明する図である。 本発明の別の実施例の磁性体検出装置において、磁性体の磁力の強さの推定作動において用いられる、信号強度の最大値と最小値との差と検出対象物５０である磁性体の磁力の強さとの関係を説明する図である。 本発明の別の実施例の磁性体検出装置において、磁性体の大きさの推定作動において用いられる、極大値を検出したセンサの位置および極小値を検出したセンサの位置の距離、磁性体の大きさとの関係を説明する図である。

以下、本発明の一実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例である磁性体検出装置１０の構成の概要を説明する図である。図１に示すように、磁性体検出装置１０は磁界を検出するためのセンサ部１１と、そのセンサ部１１を駆動するための電流を供給するとともにセンサ部１１から出力される電気信号を処理するための回路部２１とを有して構成されている。このうちセンサ部１１は、一対の磁気センサである第１センサ１２ａおよび第２センサ１２ｂ（以下、これらを区別しない場合には「磁気センサ１２」という。）を含んで構成される。

地磁気などの外部磁界は、第１センサ１２ａおよび第２センサ１２ｂの両者において共通して検出される。この外部磁界は磁性体５０の通過以外によって生ずる磁界である。一方、磁性体５０の通過によって生ずる磁界は、その位置に応じて第１センサ１２ａおよび第２センサ１２ｂのそれぞれにおいて異なる大きさとなって検出される。なお、後述するように、一対の磁気センサ１２ａおよび１２ｂの出力は差動させられるので、両センサ１２ａおよび１２ｂの出力の差において検出可能な程度であることが望ましい。

本実施例においては、これら磁気センサ１２は磁気インピーダンスセンサ（ＭＩセンサ）であり、それぞれ、感磁部の磁束変化を検出する検出コイル１３（後述する検出コイル１３ａと１３ｂとを区別しない場合、「検出コイル１３」という。）と、後述する結合部材としてのアモルファスワイヤ１４を含んで構成されている。なお、検出コイル１３ａおよび１３ｂはそれぞれ磁気センサ１２ａおよび１２ｂに対応する。検出コイル１３はそれぞれ、中空のコイル状に設けられており、コイルの両端の電圧を後述する電気回路を用いて検出することができるようにされており、本実施例においてはその一方が接地されている。これら第１センサ１２ａに設けられた検出コイル１３ａと第２センサ１２ｂに設けられた検出コイル１３ｂとは同一形状で、例えば、線径６０μｍ、内径０．２ｍｍ、巻数５００、長さ１０ｍｍのコイルである。このように本実施例のセンサ部１１は、２つのセンサ１２ａおよび１２ｂが結合部材１４によって磁気的に直列に結合され、また、後述するように、第１センサ１２ａおよび第２センサ１２ｂの出力は差動させられるので、本実施例のセンサ部１１は磁界強度の勾配を計測することが可能な磁気結合型グラジオセンサである。

センサ部１１は後述する回路部２１に接続されており、その回路部２１において検出コイル１３の両端の電位差が検出可能とされている。具体的には、第１センサ１２ａに設けられた検出コイル１３ａの両端の電位差ｖ_{ｏｕｔ＿ａ}および第２センサ１２ｂに設けられた検出コイル１３ｂの両端の電位差ｖ_{ｏｕｔ＿ｂ}が検出可能とされている。また、後述するようにセンサ部１１を駆動するための電流は回路部２１から供給されるようになっている。

また、検出コイル１３の中空部分には、アモルファスワイヤ１４が通されている。本実施例においては、図１に示す様にアモルファスワイヤ１４は長手方向に延びる棒状の形状を有しており、一本のアモルファスワイヤ１４が検出コイル１３ａの中空部分と検出コイル１３ｂの中空部分とを通る（貫く）様に配設されている。すなわち、本実施例のアモルファスワイヤ１４は、両磁気センサ１２を磁気回路上で結合する結合部材としても機能している。

かかる構成によれば、結合部材としてのアモルファスワイヤ１４における外部磁界は、そのアモルファスワイヤ１４の長手方向に関して対称に分布することが発明者らの知見により分かっている。そのため、一対のセンサ１２ａ、１２ｂに対応する検出コイル１３ａ、１３ｂをそれぞれアモルファスワイヤ１４の長手方向に対して対称な位置に設けることにより、検出コイル１３ａ、１３ｂはそれぞれアモルファスワイヤ１４における磁界、すなわち、両者に共通して印可される外部磁界を等しい値として検出することができる。

なお、本実施例においては、結合部材としてアモルファスワイヤ１４が用いられているが、結合部材が両磁気センサ１２を磁気的に直列に結合するためには、結合部材としては、比透磁率が１００以上の磁性材料、感磁部を構成する材料の比透磁率の１／１００以上の比透磁率を有する磁性材料、又は感磁部と同一の磁性材料により構成されることが望ましい。

アモルファスワイヤ１４の両端には、そのアモルファスワイヤ１４に電流ｉ_ｉｎを印加することができるように配線が設けられている。図１の例においては、アモルファスワイヤ１４の一端に後述する発振器２２からの電流ｉ_ｉｎが印加されるようになっており、他端は接地されている。この電流ｉ_ｉｎは前述の通り回路部２１から供給される。すなわち、本実施例においてアモルファスワイヤ１４のうち、磁気センサ１２の検出コイル１３内に位置する部分は感磁部として機能している。

また本実施例においては、アモルファスワイヤ１４のうち、両検出コイル１３によって挟まれる内側において、電気伝導体からなる並列伝導体１８が、アモルファスワイヤ１４と電気的に並列になる様に接続されている。このようにすれば、その並列伝導体１８を含むアモルファスワイヤ１４の両端の抵抗が、アモルファスワイヤ１４単体の場合よりも、すなわち並列伝導体１８がない場合よりも減少することからより多くの電流を流すことができる。すなわち、本実施例のように、磁気センサ１２として磁気インピーダンスセンサが用いられる場合、アモルファスワイヤ１４により大電流を流すことができれば、磁気センサ１２の分解能（検出性能）の向上が可能となる。具体的には例えば、前記並列伝導体１８としては、線径０．７ｍｍ、長さ４５ｍｍの銅線が用いられる。ここで、並列伝導体１８は非磁性であるので、磁気センサ１２による検出に影響を与えない。

図２は、図１に示す本実施例の磁性体検出装置１０のうち、センサ部１１と、回路部２１の構成の一部であってセンサ部１１との入出力を行なう部分とを説明する図である。回路部２１は、前記センサ部１１を駆動するための電気信号ｉ_ｉｎを入力するとともに、センサ部１１からの出力信号Ｖ_{ｏｕｔ＿ａ}、Ｖ_{ｏｕｔ＿ｂ}を処理し、センサ部１１において検出された磁界強度に関する情報を算出する。また、本実施例においては、回路部２１には、回路部において処理された電気的信号に基づいて検出対象物５０の検出制御を行う制御装置（制御部）９０が接続されている。

図２に示す回路部２１のうち、発振器２２からは、アモルファスワイヤ１４に通電される電流ｉ_ｉｎなどの元となるパルス信号、すなわち矩形波が生成される。この矩形波は、アンプ２４によって所定の増幅が行なわれ、アモルファスワイヤ１４に印加される。本実施例においては例えば、パルス信号の振幅が２〜３Ｖとなるように増幅が行なわれる。アモルファスワイヤに印可されるパルス信号の繰り返し周波数は、予め実験的に得られた繰り返し周波数とセンサの感度との関係に基づき、センサの感度が良好となる繰り返し周波数が例えば１０ｋＨｚのように選択される。パルス幅は、磁気インピーダンスセンサが高感度化するように、予め実験的にあるいはシミュレーションにより得られた値とされる。具体的には例えば、アモルファスワイヤ１４のインピーダンス変化が最も顕著な周波数が１０ＭＨｚである場合には、パルス幅が５０ｎｓとなり、デューティー比は０．０００５となる。

サンプルホールド回路２６、３０はそれぞれ、検出コイル１３ａ、１３ｂの両端電位差、すなわち両端における電圧の差（起電力）が入力される。このサンプルホールド回路２６、３０においては、アモルファスワイヤ１４に印加するパルス信号の立ち上がり（通電開始）によりコイルに発生する誘導電圧について、その立ち上がりからピークを含む時間範囲において積分して出力を行なう。具体的には例えば前記時間範囲は１０ｎｓ〜５０ｎｓのように設定される。このため、サンプルホールド回路２６、３０には前述の発振器２２によって出力されるパルス信号が入力されており、サンプルホールド回路２６、３０はこのパルス信号の立ち上がりをスイッチとして作動を行なう。また、バッファアンプ２８、３２はそれぞれ、サンプルホールド回路２６、３０の出力を差動アンプ３４へ流す。

なお、検出コイル１３においては、アモルファスワイヤ１４に印加されるパルス信号における立ち上がり（通電開始）によって検出コイル１３に発生する誘導電圧の波形と、パルス信号における立ち下がり（通電遮断）によって検出コイル１３に発生する誘導電圧との変動とが連続して発生するよう、すなわち、パルス信号における立ち上がり（通電開始）によって検出コイル１３に発生する誘導電圧の波形とパルス信号における立ち下がり（通電遮断）によって検出コイル１３に発生する誘導電圧との波形との間に誘導電圧が例えば０に留まる時間がないようにされている。前述の検出コイル１３の形状として例示した、線径６０μｍ、内径０．２ｍｍ、巻数５００、長さ１０ｍｍのコイルは、本実施例においてこの条件を満たすものである。

図２に戻って、差動アンプ３４は、これらバッファアンプ２８、３２を介して出力されたサンプルホールド回路２６、３０のそれぞれの出力の差分を増幅してｖ_ｏｕｔとして出力する。具体的には、第１センサ１２ａの検出コイル１３ａに関連するバッファアンプ２８を介したサンプルホールド回路２６の出力と、第２センサ１２ｂの検出コイル１３ｂに関連するバッファアンプ３２を介したサンプルホールド回路３０の出力との差が算出されて出力される。

上述のように、本実施例のセンサ部１１においては、検出コイル１３ａ、１３ｂがアモルファスワイヤ１４に対してその長手方向に対称な位置に設けられており、これらの検出コイル検出コイル１３ａ、１３ｂは外部磁界を等しく検知することができる。そのため、外部磁界のみが印加されている場合には理論的には両者の差動出力は零であり、実際にはノイズのみが出力されることとなる。これは後述する図７の（ａ）に対応する。一方、検出対象である磁性体５０が磁性体検出装置１０の検出対象範囲に存在あるいは通過した場合には、局所的に外部磁界が影響を受けるため、一対の検出コイル１３ａ、１３ｂのうちのいずれか一方がより大きい影響を受けることとなる。そのため、両者の差動出力に変動が生ずることとなる。

図３は、本実施例の磁性体検出装置１０における回路部２１の構成の別の要部を説明する図である。具体的には、図２の差動アンプ３４の出力ｖ_ｏｕｔの更なる処理が行なわれる部分を説明する図である。すなわち、回路部２１は、図２に示された回路と図３に示された回路とを含んで構成される。なお、差動アンプ３４は図２および図３の両方に重複して描かれている。

具体的には、差動アンプ３４の出力ｖ_ｏｕｔは、ハイパスフィルタ３６によって所定の周波数、例えば０．３Ｈｚより低い周波数成分は遮断される。また、アンプ３８によって所定の増幅が行なわれる。続いてローパスフィルタによって、所定の周波数、例えば３０Ｈｚより高い周波数成分が遮断される。さらにノッチフィルタ４２によって特定の周波数、例えば６０Ｈｚの周波数成分が遮断された後、アンプ４４による所定の増幅が行なわれ、更にノッチフィルタ４６により別の特定の周波数、例えば１８０Ｈｚの周波数成分が遮断され、出力Ｅｏｕｔ（Ｖ）が出力される。この出力Ｅｏｕｔ（Ｖ）を予め得られている換算方法によって磁界強度に変換することにより、検出対象物５０が通過あるいは存在することによる磁界強度の変化を得ることができる。

図４は、本実施例の磁性体検出装置１０における制御装置９０の機能の要部を説明する機能ブロック図である。すなわち、本実施例の磁性体検出装置１０は制御装置９０を有しており、前記センサ部１１で検出され、回路部２１で処理のされた信号が制御装置９０に入力され、かかる信号に基づいて磁性体検出の有無が判断される。上記電子制御装置９０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースなどから成る所謂マイクロコンピュータを含んで構成されており、ＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行う。

制御装置９０は磁性体判別部５２および出力制御部５４を機能的に有している。磁性体判別部５２は、前記回路部２１から得られた信号であるＶｏｕｔに基づいてセンサ部１１の近傍に検出対象である磁性体５０が存在するか（磁性体５０を検出したか）否かを判別する。具体的には、本実施例のようにセンサ部１１として一対の磁気センサ１２が設けられる場合は、前記Ｖｏｕｔの変化量ΔＶｏｕｔが予め定められたしきい値ΔＶｔｈを上回った場合に、磁性体の影響による外部磁界とは異なる磁界の影響を受けているとして、磁性体５０が存在しているもしくは通過したと判断する。

以下、しきい値Ｖｔｈの設定方法について説明する。図５は、本発明の発明者らが行ったシミュレーションの概要を説明する図である。図５（ａ）に示すように、床面が一辺５ｍの正方形形状の遮蔽された空間の中心位置にセンサ部１１を設け、そのセンサ部１１の上下それぞれに２ｍ離間して電磁ポテンシャル７０をそれぞれ設け、地磁気の鉛直成分に対応する磁界を外部磁界として印可した。このときのセンサ部１１と検出対象物５０との関係を図５（ｂ）に示す。検出対象物５０としては、一辺３ｍｍの正方形形状の鉄片を用いた。検出対象物５０の大きさが大きいほど、その存在や通過などによる外部磁界の乱れが大きくなる。そのため、本シミュレーションにおいてはより小さい磁性体を想定することで本発明の磁性体検出装置１０の検出限界を検討することができる。かかる場合に、センサ部１１からの距離ｄｙを変動させつつセンサ部１１の出力における信号レベル比を、センサ部１１のアモルファスワイヤ１４の長さ（ワイヤ長）Ｌの複数の値について測定した結果を図６に示す。ここで距離ｄｙはセンサ部１１（アモルファスワイヤ１４）と検出対象物５０との距離であって、アモルファスワイヤ１４の長手方向に垂直な方向の距離である。

図６はアモルファスワイヤ１４の長さＬが１００ｍｍ、２００ｍｍおよび３００ｍｍのそれぞれの場合における、アモルファスワイヤ１４と磁性体５０との距離ｄｙ（ｍｍ）に対する信号レベル比（％）の関係を示した図である。このとき、検出コイル１２はそれぞれアモルファスワイヤ１４の両端から２ｍｍ乃至５ｍｍの位置に設けられており、検出コイルの出力はそのアモルファスワイヤ１４の端部から２ｍｍの位置から５ｍｍの位置までの磁界のｘ成分（アモルファスワイヤ１４の長手方向成分）の積算値に対応する。

一方、２つのセンサ１２ａおよび１２ｂはその出力が差動させられることから、センサ部１１は磁界の勾配を検出するグラジオセンサとして機能することができる。ここで、グラジオセンサ（２つの磁気センサを直列に接続し、差動させる場合）の信号レベル比を次式（１）のように定義される。
信号レベル比＝（検出用センサ１２ａの出力−参照用センサ１２ｂの出力）／検出用センサ１２ａの出力×１００ ・・・（１）

この図６からわかるように、アモルファスワイヤ１４と磁性体５０との距離ｄｙがアモルファスワイヤ１４の長さＬの３倍程度までの場合、概ね０．１％程度の信号レベル比の範囲で振動し、それよりも離れると収束する傾向がわかる。このように、前記しきい値Ｖｔｈの設定に際しては、アモルファスワイヤ１４の長さＬと、検出しようとする磁性体５０の大きさや磁性体５０とアモルファスワイヤ１４との距離などといった、磁性体検出装置の仕様を決定し、その仕様に応じてその場合に必要な信号レベル比が求められ、その信号レベル比に対応する電圧に換算することでしきい値Ｖｔｈが決定される。より具体的には例えば、磁性体５０がアモルファスワイヤ１４の長さＬの３倍までの距離までアモルファスワイヤ１４に近接した場合の測定を行なうのであれば、信号レベル比０．１％の出力以上の場合に磁性体が存在もしくは通過したこととするので、その信号レベル比０．１％に対応するセンサ電圧がＶｔｈとなる。

ところで、一対のセンサ１２ａおよび１２ｂが鉛直方向に設置される場合（図５（ｂ）のアモルファスワイヤ１４の長手方向が鉛直方向である場合）を例として地磁気を考慮したしきい値Ｖｔｈの設定について説明する。地磁気は地表における水平成分（水平分力）と鉛直成分（鉛直分力）との各ベクトルの和からなっている。一対のセンサ１２ａおよび１２ｂが鉛直方向に設置される場合には、結合部材としてのアモルファスワイヤ１４も鉛直方向とされることから、地磁気の鉛直成分が２つのセンサ１２ａおよび１２ｂに共通して測定されることとなる。ところで、国土地理院が公表する磁気図によれば、鉛直分力の大きさは緯度および経度を用いた近似式得ることができる。２０１０．０年値におけるこの近似式（２）によれば、鉛直分力の値Ｚ_2010.0は、
Z_2010.0＝37056.760^nT＋1067.432^nTΔφ−275.374^nTΔλ−10.225^nT(Δφ)²−9.609^nTΔφΔλ＋9.642^nT(Δλ)² ・・・（２）
である。ここでΔφ＝φ−３７°、Δλ＝λ−１３８°、φおよびλはそれぞれ度単位で表された緯度および経度である。

前記（１）式のように定義される信号レベル比が０．１％とすると、例えば鉛直成分が１０μＴである場合において、センサ部１１は１０ｎＴの出力ができればよいこととなる。すなわち、センサ１２において１０ｎＴに対応する電圧がしきい値Ｖｔｈとなる。なお、本実施例１２におけるセンサ１２は磁気インピーダンスセンサであり、１００ｐＴ程度の分解能を有するので、このような要件を満たすことは十分可能である。

また、上記（２）式で示したように、地磁気の鉛直成分が１０μＴに相当するのは概ね緯度１５度程度であり、地磁気の鉛直成分は緯度が高くなるほど大きくなるので、鉛直成分が１０μＴである場合に所定の信号レベル比を満たすものであれば、赤道付近を除く地球上の多くの範囲で信号レベル比を満たすこととなる。

図７は、本実施例の磁気検出装置１０において、アモルファスワイヤ１４の長さＬを２００ｍｍとした場合に、アモルファスワイヤ１４の近傍を、検出対象物５０として磁気を完全に消した（消磁した）長さ４０ｍｍ程度のヘアピンを往復させた場合の１対のセンサ１２ａ、１２ｂの差動出力を表した図である。横軸が時間、縦軸が差動出力（電圧［Ｖ］）を示している。このうち、図７（ａ）は、ヘアピンのない場合、すなわち外部磁界のみ存在する場合のものであり、本実施例の磁気検出装置１０のノイズレベルを表したものとなる。図７（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）はそれぞれアモルファスワイヤと検出対象物５０としてのヘアピンとの距離ｄｙをそれぞれ２５０、３００、３５０ｍｍとした場合の差動出力を表している。これらの図から分かるように、距離ｄｙが３００ｍｍ程度迄であれば、検出対象物５０の動きに伴って差動出力が変化している。逆に言えば、差動出力に基づいて検出対象物５０の動きを捉えることができる。

一方、図８はアモルファスワイヤ１４と検出対象物５０との距離と信号レベル比との関係について、アモルファスワイヤ１４の長手方向に検出対象物５０が離れる場合を説明する図である。図８の例においては図８（ａ）に示すように、検出対象物５０がアモルファスワイヤ１４の長手方向の延長線上に位置させられる。アモルファスワイヤ１４の長手方向の端部のうち検出対象物５０に近い側の端部から検出対象物５０までのアモルファスワイヤ１４の長手方向の距離をｄｘと定義する。ここで、アモルファスワイヤ１４の長さＬが１００ｍｍ、および３００ｍｍの場合のそれぞれについて、アモルファスワイヤ１４の端部から検出対象物５０までの距離をｄｘに対するセンサ部１１の信号レベル比の関係を示したのが図８（ｂ）である。

図６に示したアモルファスワイヤ１４と検出対象物５０との長手方向と垂直な距離ｄｙの場合と比べて、図８（ｂ）に示すようにアモルファスワイヤ１４と検出対象物５０との長手方向の距離ｄｘが大きくなるにつれて信号レベル比の減衰が大きい。すなわち、アモルファスワイヤ１４の長手方向に置かれた検出対象物５０の検出感度は低くなる。具体的には例えば、図６の場合で説明したような、信号レベル比が０．１％以上を磁性体の存在あるいは通過を検出するのに必要な値とする場合には、図８（ｂ）からは、アモルファスワイヤ１４の長さＬとの関係は明確ではないが、アモルファスワイヤ１４と検出対象物５０とのアモルファスワイヤ１４の長手方向の距離ｄｘは、概ね１５０ｍｍ程度であればよいことがわかる。

以上を踏まえ、本実施例の磁性体検出装置１０においてセンサの出力比が０．１％以上となった場合に磁性体が存在あるいは通過したと判断するとすれば、その磁性体の検出可能範囲は、センサ１２を含む一平面上において図９で示すようなものとなる。すなわちセンサ部１１の長手方向においてはアモルファスワイヤ１４の両端部からそれぞれ１５０ｍｍの範囲であり、また、センサ部１１の長手方向に垂直な方向においては、一対のセンサ１２ａおよび１２ｂの間の距離Ｌの３倍範囲となる。実際には、図９で示した図形を図９におけるセンサの長手方向、すなわちアモルファスワイヤ１４の軸方向を中心に一回転させて得られる３次元の領域が、磁性体検出装置１０における磁性体の検出可能範囲となる。なお、上述のように、本実施例においてはアモルファスワイヤ１４両端部からそれぞれ２ｍｍだけ内側の位置にセンサ１２ａ、１２ｂの端部が位置するようにセンサ１２ａ，１２ｂが設けられている。ここで、ワイヤ長Ｌに対してこの２ｍｍの影響を無視できる場合には、ワイヤ長Ｌと一対のセンサ１２ａおよび１２ｂとの距離とを同義と解することが可能である。

図４に戻って、出力制御部５４は、前記磁性体判別部５２が磁性体５０が存在すると判断した場合に、出力装置にその旨を出力させる。この出力装置９４は例えば図１に例示したように画像表示装置であってもよいし、ブザーなどの音声出力装置であってもよい。

図１０は本実施例の磁性体検出装置１０におけるセンサ部１１の配置の一例を説明する図である。図１０においては、一対のセンサ１２の距離（あるいはワイヤ長）Ｌ＝３００ｍｍのアモルファスワイヤ１４が、その長手方向が鉛直方向となるようにセンサ部１１が設置されている。そして、センサ部１１（アモルファスワイヤ１４）の中心が地上から７５０ｍｍの高さとなるように設けられている。前述のように信号レベル比が０．１％以上において磁性体５０を検出したと判断するようにしきい値が定められている場合には、磁性体５０がアモルファスワイヤ１４の長さの３倍程度までアモルファスワイヤ１４に近接した場合に検出可能であるので、図９について説明した磁性体の検出可能範囲は、図１０の例においては、その直径の最大がアモルファスワイヤ１４を中心とする位置において１８００ｍｍのである。また、センサ１１の長手方向の位置、すなわち高さ方向においては、地上から４５０ｍｍ乃至１０５０ｍｍの範囲内に磁性体５０が存在する場合にそれを検出することができる。

前述の実施例によれば、磁性体検出装置１０は、磁気結合型グラジオセンサであるセンサ部１１を含んで構成され、センサ部１１は一対の磁気センサ１２ａ、１２ｂと、一対の磁気センサ１２ａ、１２ｂを磁気的に結合する比透磁率が１００以上の結合部材１４とを含み、それら一対の磁気センサ１２ａ、１２ｂの距離及び結合部材の長さＬは、それぞれ、一対のセンサ１２ａ、１２ｂの中心から検出対象となる磁性体位置までの距離ｄの１／３以上であるので、センサ部１１における信号レベル比を考慮して検出対象物５０の有無を判断することができる。

また、前述の実施例によれば、磁性体検出装置１０において、センサ部１１は、地磁気の垂直方向の磁界成分の変化を検出するように設けられた少なくとも１つのセンサ部１１を有するように構成されたので、センサ部１１における結合部材１４に地磁気の垂直方向の磁束成分が流れ、一対の磁気センサ１２ａ、１２ｂにより地磁気の垂直方向の磁束成分の変化が検出されるので、磁性体検出のための磁場発生源を必要としない構成が可能となる。

続いて、本発明の別の実施例について説明する。以下の説明において、実施例相互に共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１１は、本発明の磁性体検出装置１０において２つのセンサ部１１Ａおよび１１Ｂが設けられる場合の設置態様を説明する図であって、前述の実施例の図１０に対応する図である。図１１においては、長さＬ＝２００ｍｍのアモルファスセンサを有するセンサ部１１Ａおよび１１Ｂが、それぞれ長手方向が鉛直方向となるように設けられている。そして、センサ部１１Ａおよび１１Ｂの中心が地上からそれぞれ７００ｍｍ、１１００ｍｍの高さとなるように設けられている。前述のように信号レベル比が０．１％以上において磁性体５０を検出したと判断するようにしきい値が定められている場合には、磁性体５０がアモルファスワイヤの長さの３倍程度までアモルファスワイヤに近接した場合に検出可能であるので、図９について説明した磁性体の検出可能範囲は、図１１の例においては、その直径の最大がアモルファスワイヤ１４を中心とする位置において１２００ｍｍの内である。また、センサ１１の長手方向の位置、すなわち高さ方向においては、地上から４５０ｍｍ乃至１３５０ｍｍの範囲内に磁性体５０が存在する場合にそれを検出することができる。

前述の実施例と同様、センサ部１１Ａおよび１１Ｂはそれぞれ一対の磁気センサ１２Ａａ、１２Ａｂ、および、１２Ｂａ、１２Ｂｂを有している。以下、これらを区別せず総称する場合には、磁気センサ１２という。

本実施例においては、特に図示しないが２つのセンサ部１１Ａおよび１１Ｂのそれぞれについて前述の実施例１の回路部２１と同様の回路部２１Ａおよび２１Ｂが設けられる。なお、本実施例においては２つのセンサ部１１Ａおよび１１Ｂが設けられる例を説明するが、センサ部の数は２つに限定されない。また回路部２１についてはセンサ部の数と同じだけ設けられればよい。

なお、本実施例の回路部２１Ａ、２１Ｂにおいては、前述の実施例における回路部２１と同様に差動アンプ３４の出力を増幅等して出力するのに加え、バッファアンプ２８、３２の出力をもそれぞれ同様に増幅等して出力するものとされている。ここでバッファアンプ２８、３２の出力はそれぞれ、検出コイル１３ａ、１３ｂの出力電圧に対応するものであり、それぞれのセンサ１２ａ、１２ｂが検出する磁界の強度に対応するものである。

図１２は、本実施例の磁性体検出装置１０における磁性体判別部５２の制御作動の一例を説明するフローチャートである。このフローチャートは、磁性体検出装置１０の作動中において、たとえば数ｍｓ（ミリ秒）乃至数十ｍｓ（ミリ秒）などの周期で繰り返し実行される。まず、ステップＳ（以下、「ステップ」を省略する。）１においては、磁性体検出装置１０に含まれる複数のセンサ部１１Ａ、１１Ｂのそれぞれから、対応する回路部２１Ａ、２１Ｂの各差動アンプ３４などを介して出力される差動出力が取得される。

続くＳ２においては、Ｓ１で取得された複数のセンサ部１１Ａ、１１Ｂのそれぞれからの差動出力のうち、予め設定された閾値を超えたものがあるか否かが判断される。ここで前記閾値Ｖｔｈは、たとえば前述の実施例１において説明したように、信号レベル比がたとえば０．１％以上となる場合に磁性体が存在すると判断する場合には、その信号レベル比が０．１％に対応する差動出力Ｖｏｕｔ（電圧）となるように設定される。前記差動出力のうち１つでも前記閾値を上回ったものがある場合には本ステップの判断が肯定され、Ｓ３が実行される。前記さ同出力のうち１つも前記閾値を上回ったものがない場合は、本ステップの判断が否定され、本フローチャートが終了させられる。

Ｓ２の判断が肯定された場合に実行されるＳ３においては、磁性体検出装置１０の予め設定された検出範囲内に磁性体が存在もしくは通過したと判断される。

Ｓ３で磁性体が存在もしくは通過したと判断された場合には、Ｓ４が続いて実行される。このＳ４においては存在もしくは通過したと判断された磁性体の位置、大きさ、あるいはその磁性体の磁力の強さの少なくとも１つが推定される。この推定は、前述した複数のセンサ部１１Ａおよび１１Ｂのそれぞれのセンサ１２が検出する磁界の強度に対応するバッファアンプ２８、３２の出力を用いて行われる。このバッファアンプ２８、３２からの出力は、たとえばＳ１において差動出力が取り込まれる際に行われてもよいし、本ステップＳ４において行われてもよい。

Ｓ４における磁性体の位置の推定作動について説明する。前記複数のセンサ部１１Ａおよび１１Ｂのそれぞれのセンサ１２の出力の値を、その位置の順に並べる。そして並べた値に極値、すなわち極大値および極小値がいくつ存在するかが判断される。判断された極値の数を予め設定された判定条件に適用することにより磁性体の位置が推定される。

図１３はこの判定条件の一例を説明する図である。図１３に示すように、極値がない場合には、検出対象物５０である磁性体は本実施例の磁性体検出装置１０の検出対象範囲（推定対象範囲）の外にあって、かつ、信号強度の変化量が大きい方向にあると推定する。具体的には例えば、複数のセンサ部１１をそれぞれ構成するセンサ１２のうち、最も上端側にあるたとえば２つのセンサ１２において検出される信号強度の変化割合、たとえば単位距離に対する変化量と、最も下端側にある２つのセンサ１２における信号強度の変化割合とが比較される。そして、検出範囲外であって、信号強度の変化割合が大きい側に検出対象物５０が存在すると推定される。また、極値の数が１個である場合には、その極値を検出したセンサ１２の近傍に検出対象物５０があると推定する。ここで、極値を検出したセンサ１２の近傍とは、例えば、磁性体検出装置１０の検出対象範囲のうち、全てのセンサ１２のうちで極値を検出したセンサ１２に最も近い位置の集合からなる領域を意味している。また、極値の数が２個以上である場合には、その極値のうち極大値を検出したセンサの位置と極小値を検出したセンサの位置との重心位置に検出対象物５０が位置していると推定する。ここで好適には、前記重心位置の算出の際に、極大値および極小値であるそれぞれのセンサの信号強度に応じて重み付けを行なった上で重心位置を算出してもよい。

続いて、Ｓ４において行なわれる、磁性体の磁力の強さの推定作動について説明する。磁性体の磁力の強さの推定は、センサ１２のそれぞれにおいて測定された信号強度のうち、最大値と最小値との差の大きさに基づいて推定される。すなわち、磁性体の磁力の強さとは、存在もしくは通過した磁性体により外部磁界がどの程度影響を受けたかを示す指標であり、その単位は［Ｔ］（テスラ）で表される。具体的には、信号強度の最大値と最小値との差と、検出対象物５０である磁性体の磁力の強さとの関係を予め実験などにより求めておき、実際に検出された信号の最大値と最小値との差をこの関係に適用することにより、検出対象物５０である磁性体の磁力の強さが得られる。図１４はこの関係の一例を示した図である。図１４に示されるように、信号強度の最大値と最小値との差が大きくなるほど、検出対象物５０である磁性体の磁力の強さは強い関係である。

さらに、Ｓ４において行なわれる、磁性体の大きさの推定作動について説明する。磁性体の大きさの推定は、センサ１２のそれぞれにおいて測定された信号強度のうち、極大値を検出したセンサの位置と極小値を検出したセンサの位置との距離に基づいて推定される。具体的には、極大値を検出したセンサの位置と極小値を検出したセンサの位置との距離と、検出対象物５０である磁性体の大きさとの関係を予め実験などにより求めておき、実際に信号強度が検出された場合の極大値を検出したセンサの位置と極小値を検出したセンサの位置との距離をこの関係に適用することにより、検出対象物５０である磁性体の大きさが得られる。図１５はこの関係の一例を示した図である。図１４に示されるように、極大値を検出したセンサの位置と極小値を検出したセンサの位置との距離が大きくなるほど、検出対象物５０である磁性体の大きさは大きい関係である。なお、極大値や極小値がそれぞれ複数ある場合には、隣り合う極大値と極小値のうち、極大値と極小値の差が最も大きい組を選択して判断を行なうことができる。

前述の実施例の磁性体検出装置１０によれば、センサ部１１（１１Ａ、１１Ｂ）を複数有し、それら複数のセンサ部１１の出力信号に基づいて磁性体５０を検出する磁性体判別部５２を有するので、磁性体検出装置１０が磁性体５０を検出することのできる検出対象範囲を大きくすることができる。

また、前述の実施例の磁性体検出装置１０によれば、センサ部１１（１１Ａ、１１Ｂ）を複数有し、それら複数のセンサ部１１の出力信号に基づいて、複数のセンサ部１１の出力信号に基づいて、磁性体の有無のみならず磁性体５０の位置および磁性体の磁力の強さ、磁性体の大きさの少なくとも１つを推定することができる。

その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が加えられて実施されるものである。

例えば、前述の実施例においては、センサ部１１が１つ乃至２つ設けられる実施例が説明されたが、これに限定されるものではなく、例えば３以上のセンサ部１１が同時に設けられてもよい。また、センサ部１１が複数設けられる場合には、それらのセンサ部１１の間隔は磁性体検出装置１０の磁性体の検出可能領域が一様となるように適宜調節しうるものである。すなわち、前述の通り磁性体検出装置１０の磁性体検出可能領域は図９に示した図形を横軸方向を中心に回転させたものであるので、横方向にみるとその位置に応じて検出可能な径方向の大きさが異なっている。これを複数のセンサ部１１により補完し、磁性体の検出可能な領域が例えば径方向にばらつきが少なくなるような配置を行なうことが可能である。この際、複数のセンサ部１１は前述の実施例２のように複数のセンサ部１１が長手方向に間隔をおいて設けられてもよいし、あるいは重なるように設けられてもよい。

また、前述の実施例においては、結合部材であるアモルファスワイヤ１４は一対のセンサ１２を貫くように設けられていたが、このような態様に限られない。すなわち、一対のセンサ１２を磁気的に結合するものであればよく、例えば直線上に配設された一対のセンサ１２に対して、その直線上において該一対のセンサ１２に対して中央に位置するように該一対のセンサ１２の間隔よりも短い結合部材が設けられてもよい。言い換えれば、前述の実施例において結合部材１４が一対のセンサ１２を貫かない程度の長さであってもよい。

また、前述の実施例２においては、複数のセンサ部１１の各センサ１２の極値に基づいて検出対象物５０の位置を推定したが、かかる態様に限られず、例えば、差動出力や信号レベル比の値が最も大きいセンサ部１１の近傍に検出対象物５０が存在すると推定することも可能である。

また、前述の実施例においてはセンサ部１１は鉛直方向に配設され、地磁気の垂直成分の変化を一対のセンサ１２により検出するようにされたが、このような態様に限られない。すなわち、水平方向に配設されたセンサ部１１を少なくとも１つ含むことにより地磁気の水平成分の変化を一対のセンサ１２により検出する構成とすることも可能である。これは、地磁気の水平成分が一定以上含まれる地域においては有効であり、特に地磁気の垂直成分が小さい地域においてはさらに有効であると考えられる。このようにすれば、前記磁気結合型グラジオセンサにおける結合部材に地磁気の水平方向の磁束成分が流れ、前記一対の磁気センサにより該地磁気の垂直方向の水平成分の変化が検出されるので、磁性体検出のための磁場発生源を必要としない構成が可能となる。また、センサ部１１が水平面に設置されることができるので、例えばマット状の形態とすることができる。

さらに、センサ部１１が複数設けられる場合に、それら複数のセンサ部１１の少なくとも１つは他に対して角度を有するように設けられるようにすることも可能である。このようにすれば、前記複数のセンサ部１１により、地磁気の垂直方向および水平成分の磁界成分の変化が検出されるので、地磁気の垂直成分、あるいは水平成分のいずれか一方が磁性体検出に用いることができない場合であっても好適に磁性体の検出を行うことができる。

さらに、前述の実施例においては、結合部材としてのアモルファスワイヤは一部材として設けられたが、かかる態様に限られず、一対のセンサ１２を磁気的に結合し、それら一対の磁気センサ１２に外部磁界の影響を等しく与えるものであれば様々な態様が可能である。例えば、アモルファスワイヤ１４に間隙が設けられても良いし、アモルファスワイヤ１４の一部がその他の部分と異なる素材から構成されていてもよい。

１０：磁性体検出装置
１１：センサ部（磁気結合型グラジオセンサ）
１２、１２ａ、１２ｂ：磁気センサ
１４：結合部材（アモルファスワイヤ）
５０：検出対象物（磁性体）

Claims (5)

1. 複数の磁気結合型グラジオセンサを含んで構成される磁性体検出装置であって、
   該磁気結合型グラジオセンサのそれぞれは、一対の磁気センサと、該一対の磁気センサを磁気的に結合する比透磁率が１００以上の結合部材とを含んで長手状に構成され、
   前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれは、長手方向の向きが直線上になるように配置され、
   該磁性体検出装置は、前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの長手方向において該磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの両端から該長手方向かつ該磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの中心から離れる向きにそれぞれ１５０ｍｍ以内、および、前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれの径方向において、前記一対の磁気センサの間隔Ｌとした場合において前記磁気結合型グラジオセンサのそれぞれを中心とした半径３Ｌ以内の範囲を検出範囲とし、該検出範囲における検出対象の有無を検出すること、
   を特徴とする磁性体検出装置。
   
2. 前記磁気結合型グラジオセンサは、地磁気の垂直方向の磁界成分の変化を検出するように設けられた磁気結合型グラジオセンサを少なくとも１つ含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の磁性体検出装置。
3. 前記磁気結合型グラジオセンサは、地磁気の水平方向の磁界成分の変化を検出するように設けられた磁気結合型グラジオセンサを少なくとも１つ含むこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の磁性体検出装置。
4. 前記磁気結合型グラジオセンサを複数有し、
   該複数の磁気結合型グラジオセンサの出力信号に基づいて磁性体を検出する磁性体判別部を有すること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の磁性体検出装置。
5. 前記磁気結合型グラジオセンサを複数有し、
   前記磁性体判別部は、該複数の磁気結合型グラジオセンサの出力信号に基づいて、磁性体の位置および該磁性体の磁力の強さ、磁性体の大きさの少なくとも１つを推定すること
   を特徴とする請求項４のいずれか１に記載の磁性体検出装置。
   
   

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