JPS6048712B2

JPS6048712B2 - 金属物体検知方法及び装置

Info

Publication number: JPS6048712B2
Application number: JP52057411A
Authority: JP
Inventors: 和夫森谷
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1977-05-18
Publication date: 1985-10-29
Also published as: JPS53142260A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、検知用ループコイルの自己インダクタンス
の変化を利用する金属物体の検知方法及び装置に関する
。

検知すべき場所の検知のループコイルを布設し、このル
ープコイルに交流信号を電磁誘導して、ループコイルヘ
の金属物体の接近によるループコイルの自己インダクタ
ンスの変化を利用して金属物体の有無を検知する装置は
、駐車場の車両検知器や、製鉄所の鉄板検知器等として
用いられている。

しかし、この種の装置は、ループコイルヘの金属物体の
接近間隔Ｍ、対ループコイルの巾Ｍ２の比Ｍ、／Ｍ２が
１以上になるとインタグタンスの変化率が急激に低下す
るにもかかわらず、従来のこの種の装置は、ループコイ
ルの自己インダクタンスの変化に追従して変化するルー
プコイルの誘導電圧の位相を検波し、検波信号をアナロ
グ的に処理して金属物体を検知するように構成されてい
るたフめ、温度変化、ループコイルの変形、大地の誘電
率の長期的変化等の外乱によるインタグタンスのわずか
な変化により誤検知しやすく、ループコイルのインダク
タンスに合わせて同調周波数が感度を調整しなければな
らなかつた。

５また、外乱による誤検知を防止するために、従来の
装置は、検波信号の処理回路に自動修正回路を設けて前
記処理回路を安定化することにより感度を高めたり、ル
ープコイルの巾を大きくしてインダクタンスの変化率を
高めることにより感度を高めたりしている。

しかし、前者は検波信号の処理回路が複雑であるし、乱
調を防止するためにループコイルの設置工事に種々の制
約があるから、高価である。後者は、インダクタンスの
変化率を数％にするだけでも、たとえば自動車検知用の
場合で、ループコイルの巾を１．５ＴｒＬ以上にしなけ
ればならず、ループコイルの大きさに比例してその設置
工事が煩雑になり、高価になつてしまう。この発明は、
信号をディジタル的に処理するようにして、簡単な装置
で、検知ミスがなく、ループコイルの巾を小さくし得る
金属物体検知方法及び装置を提供することを目的とする
。この発明では、周波数の異なる複数の信号を順次順次
繰返し発生してループコイルに供給し、順次繰返し発生
する信号と、ループコイルに誘導される信号との位相を
比較して、位相の正負（一方の信号の位相に対して他方
の信号の位相が進んでいるか遅れているかであつて、こ
の発明では遅進という）に応じた時系列のディジタル信
号を発生し、このディジタル信号を用いて金属物体の有
無を検知することにより、上記目的を達成する。

すなわち、この発明は、ループコイルの同調周波数前後
の一定周波数を有し、かつ周波数が互いに異なる複数の
信号を順次繰返しループコイルに；供給し、前記信号と
誘導信号との位相を位相比較器で比較して、位相の遅進
に応じたディジタル信号（たとえは、正負の信号）を発
生するようにしてループコイルに供給する信号の周波数
が前記同調周波数以下であれば正（又は負）となり、以
上３てあれば負（又は正）となる信号を、ループコイル
に供給する信号に同期して時系列に発生させ、この信号
を論理回路て処理することにより金属物体の有無を検知
する。論理回路における金属物体の有無の検知は、金３
属物体がループコイルに接近して前記同調周波数が変化
すると、位相比較器の出力に発生する時系列ディジタル
信号が変化するから、たとえば特定周波数の信号のルー
プコイルへの供給時における時系列ディジタル信号が論
理信号’’Ｈ’’又は４’゛’Ｌ’’のいずれであるか
によつて検知することができるし、時系列ディジタル信
号が、ループコイルに金属物体が接近しているときの信
号列であるか否かを解読することによつても検知するこ
とができる。

以下、図面に示す実施例について説明する。

第１図は、４種類の信号を用いる場合の一例で、図にお
いて、１はＰＬＬ（フェイズ・ロック・ループ）に用い
られている既知の電圧制御発振器、２は発振素子用のコ
ンデンサ、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは電圧制御発振器１
の発振素子用の抵抗、４は電圧制御発振器１に接続する
抵抗を切換える既知の抵抗切換回路である。電圧制御発
振器１の発振周波数ｆは、コンデンサの容量をＣ）抵抗
に値をＲ）電源電圧をＶＳ）後述する電圧保持回路５か
ら入力する制御電圧をＶｃ、回路により決まる係数ｋと
すると、一般に、で表わすことができる。

６はたとえば電圧制御発振器１の発振周波数の１１１０
〜１１１０哨度の一定周波数を有するクロック信号の発
振器、７は前記クロック信号を計数する２ビット・２進
カウンタてある。

カウンタ７は、この例では２進カウンタを用いているが
、４進のリングカウンタを用いることもてきる。カウン
タ７の計数値は、抵抗切換回路４に切換信号として供給
されるとともに、後述する判定回路８に判定用の信号と
して供給される。前記抵抗切換回路４はカウンタ７の計
数値に応じた抵抗３ａ〜３ｄを電圧制御発振器１に順次
繰返し接続し、その結果電圧制御発振器１は周波数の異
なる４種類の信号を順次繰返し発振する。

電圧制御発振器１て発振する信号（以下、単に発振信号
という）の周波数は、以下の説明ではカウンタ４の計数
値が’’ｏ’’のときに（、“’１’’のときにＦ，，
’“２’’のときにＦ。、’’３’’のときにＦ３であ
るものとし、かつ中心周波数ｆ’に対して、各周波数が
ち＜Ｆ，＜ｆ’＜Ｆ２＜Ｆ３・・・（２）の関係にある
ものとして説明する。

電圧制御発振器１の発振信号の周波数Ｆ。，ｆ，，ｆ。
，ｆ３は、第１式における制御電■■ｃが変化すると、
それに追従して中心周波数ｆ’がシフトするから、同様
にシフトする。９は電圧制御発振器１で発振した信号用
の増巾Ｈで、一般に使用されている正弦波増巾器ではあ
るが、出力側が定電流駆動になつている定電流駆動形の
既知の交流増巾器であつて、増巾した信号をトランス１
０の１次巻線１１ａに供給する。

トランス１０は３個の巻線１１Ａ，ｌｌｂ，ｌｌｃを有
し、２次側に同調用のコンデンサ１２を設けている。ト
ランス１０の２次巻線１１ｂは検知す！べき場所に設置
される検知用のループコイル１３に接続され、３次巻線
１１ｃは位相比較器１４の一方の信号入力端子に接続さ
れている。トランス１０の３次巻線１１ｃに誘導される
信号（以下、単に誘導信号という）の位相は、増巾器９
が定電流駆動形の交流増巾器であるから、電圧制御発振
器１の発振信号に対して、同調周波数の近傍で第２図の
ように変化する。第２図において、縦軸は位相、横軸は
周波数、実線で示す曲線は金属物体がループコイル１３
に接近していないときの特性、点線で示す曲線は接近し
ているときの特性、ｆ’，ＦＯ，ｆ、，Ｆ，，ｆ，は安
定状態時における電圧制御発振器１の中心周波数を発振
信号の周波数である。

第２図から明らかなように、電圧制御発振器１の発振信
号に対する３次巻線１１ｃの誘導信号の位相は、周波数
が同調周波数より高いと遅れ、低いと進む。また、ルー
プコイル１３に金属物体が接近すると同調周波数が高く
なる。発振信号の周波数Ｆ。，ｆ，，ｆ。，ｆ。は、ル
ープコイル１３の同調周波数の０．５％程度の差を互い
に有するように選ばれている。位相比較器１４は、電圧
制御発振器１の発振信号と、３次巻線１１ｃの誘導信号
との位相を比較して、位相の正負に対応したディジタル
信号を発生する既知の回路で、この例では誘導信号の位
相が発振信号の位相より進んでいると正の信号（論理信
号の’”１’’を意味する信号）を出力し、遅れている
と負の信号（論理信号゛’ｏ’’を意味する信号）を出
力する。

このような位相比較器は、たとえはＰＬＬに用いられて
いる位相比較器を飽和状態にして使用することができる
。このようにすれは、電圧制御発振器１、抵抗切換回路
４、位相廿較器１４が一組となつて市販されているＰＬ
Ｌ用の集積回路を用いることができる。判定回路８は位
相比較器１４の出力信号をディジタル的に処理して金属
物体の有無を検知するＪともに、電圧制御発振器１用の
修正信号を発生３る回路で、第３図に示すように、アン
ド回路５，１６，１７，１８、禁止回路１９、インバー
タ２０，２１、及びフリップフロップ２２を備えている
。

アンド回路１５，１６は、カウンタ６の計数値が「２」
のときに開放して、アンド回路１５は位相比較器１４の
出力信号をフリップフロップ２２のセット入力端子に出
力し、アンド回路１６はインバータ２０による位相比較
器１４の出力信号の反転信号をフリップフロップのリセ
ット入力端子に出力する。アンド回路１７，１８はカウ
ンタ６の計数値が「零」のときに開放して、アンド回路
１７はフリップフロップ２２のＱ出力を禁止回路１９の
禁止端子に出力し、アンド回路１８はインバータ２０の
出力信号を電圧保持回路５に出力する。禁止回路１９は
信号入力端子が位相比較器１４の出力端子に接続し、出
力端子がインバータ２１を介して電圧保持回路５に接続
している。電圧保持回路５は、判定回路８の出力信号を
用いて電圧制御発振器１用の制御電圧を発生する充放電
回路で、第３図に示すように、コンデンサ２’３、電界
効果型トランジスタ２４、ダイオード２５、及び各種の
抵抗２６，２７，２８，２９，３０を備えている。

トランジスタ２４は、デイプレーシヨンタイプのトラン
ジスタで、ソース電極に発生する電圧を制御電圧Ｖｃと
して電圧制御発振フ器１に供給する。抵抗２６，２７は
、抵抗２６の抵抗値が抵抗２７より低くなるように選は
れている。次に、上記装置の動作を、第４図ないし第８
図を参照して説明する。

なお、第４図ないし第８図θにおいて、Ａはカウンタ６
の計数値、Ｂは位相比較器１４の出力信号、Ｃはアンド
回路の出力信号、Ｄはアンド回路１６の出力信号、Ｆは
アンド回路１８の出力信号、Ｇは禁止回路１９の出力信
号、ＨはフリップフロップのＱ出力をそれぞれ示：５す
。先ず、電源投入時は、電圧保持回路５のコンデンサ２
３が放電状態にあり、かつ制御電圧Ｖｃが抵抗２８，２
９の中点の電圧と、トランジスタ２４のピンチオフ電圧
との和であるから、電圧制御１０発振器１の中心周波数
ｆ’がループコイル１３の同調周波数より高い。

従つて、位相比較器１４の出力は、第４図Ｂに示すよう
に、信号’’０’’である。また、アンド回路１８は、
第４図Ｆに示すように、カウンタ６の計数値が「零」に
なるたびに開放して信号’“１’’を出力し、それによ
つてコンデンサ２３が充電する。この楊合、アンド回路
１８の後段にダイオード２５を設けているから、アンド
回路８の出力が信号’’０’’になつても放電せず、し
かも禁止回路１９の出力が第４図Ｇに示すように信号’
’ｏ’’、インバータ２１の出力が信号’“１’’とな
り、従つて充電が急速に進み、電圧制御発振器１の中心
周波数ｆ’が急速に低下する。フリップフロップ２２の
Ｑ出力は、カウンタ６の計数値が「２」になるたびに、
アンド回路１６が開放して第４図Ｄに示すように信号’
゛１’’を出力するから、第４図Ｈのように信号’’ｏ
’’である。電圧制御発振器１の中心周波数ｆ’がルー
プコイル１３の同調周波数付近まで低下して、周波数Ｆ
。の発振信号が前記同調周波数以下になると、位相避較
器１４の出力は、第５図Ｂに示すように、カウンタ６の
計数値が「零」のときのみ信号”’１’’になり、それ
によつてアンド回路１８の出力は第５図Ｆに示すように
信号’’ｏ’’になり、禁止回路１９の出力は、第５図
Ｇに示すように、前記計数−値が「零」のときのみ信号
“’１’’になる。従つて、コンデンサ２３への充放電
がインバータ２１の出力により行なわれるようになり、
充電速度が遅くなつて、電圧制御発振器１の中心周波籾
′が徐々に低下する。２電圧制御発振器１の周波数Ｆ。

とＦ，の発振信号がループコイル１３の同調周波数以下
になると、位相比較器１４の出力は、第６図Ｂに示すよ
うに、カウンタ６の計数値が「零」と「１」のときは信
号４４１，，、「２」と「３」のときは信号番番０，，
にな３り、禁止回路１９は開放状態にあるため、第６図
Ｇに示すように、位相比較器１４の出力と同じ信号を出
力する。従つて、コンデンサ２３への充放電は、カウン
タ６の計数値が「零」と「１」のとき放電、「２」と「
３」のとき充電となり、制御３：電圧Ｖｃが安定し、電
圧制御発振器１は中心周波数が固定するから平衡状態に
なり、その状態を持続する。上述した平衡状態において
、ループコイル１３に金属物体が接近して同調周波数が
電圧制御発振４０器１の周波数Ｆ。

の発振信号と周波数Ｆ３の発振信号との間になると、位
相比較器１４の出力は、第７図Ｂに示すように、カウン
タ６の計数値が「３」のときのみ信号““Ｏ’’になり
、アンド回路１５は、第７図ｃに示すように、前記計数
値が「２」になるたびに信号゛’１’’を出力してフリ
ップフロップ２２をセットする。従つてフリップフロッ
プ２２がセットされたことにより、金属物体がルー，プ
コイル１３に接近した旨を検知することができる。フリ
ップフロップ２２がセットされると、アンド回路１７は
第７図Ｅに示すように、カウンタ６の計数値が零になる
たびに信号’’１’’を出力し、フ禁止回路１９は、第
７図Ｇに示すように、前記計数値が「零」と「３」のと
きに信号’’ｏ’’、「１」と「２」のときに信号“’
１’’を出力する。

従つて、金属物体がループコイル１３に接近している間
は、コンデンサ２３の充放電が禁止回路１９の・出力信
号に同期して行なわれるから、位相比較器１４の出力が
、前記計数値が’’３’’のときのみ信号“’０’’に
なる状態で制御電圧Ｖｃが安定し、平衡状態を持続する
。金属物体がループコイル１３から離れて同調周波数が
Ｆ，とＦ。

の間になると、位相比較器１４の出力は、第８図Ｂに示
すように、カウンタ６の計数値が「零」と「１」のとき
に信号’’１’’、「２」と「３」のときに信号゛’ｏ
’’となり、アンド回路１６は、第８図Ｄに示すように
、前記計数値が「２」のときに信号’’１’’を出力し
てフリップフロップ２２をリセットする。従つて、フリ
ップフロップ２２がリセットされたことにより、金属物
体がループコイル１３から離れた旨を検知することがで
きる。フリップフロップ２２がリセットされた後は、禁
止回路１９は開放状態を持続するため、第８図Ｇに示す
ように、カウンタ６の計数値が「零」と１」のときに信
号’’１’’、「２」と「３」のときに信号’゛０’’
を出力し、それと同期してコンデンサ２３の充放電が行
なわれて、平衡状態を持続する。

すなわち、フリップフロップ２２がリセットされると、
この装置は最初の平衡状態に戻る。金属物体がループコ
イル１３に接近したことに辷り、同調周波数がＦ。以上
になつた場合、位相比交器１４の出力が全て信号゛’１
’’となるが、禁止］路１９の出力が、カウンタ６の計
数値が「零」’）ときのみ信号“’ｏ’’となつて、コ
ンデンサ２３）放電時間が長くなり、それによつて制御
電圧’ｃが低下して電圧制御発振器１の中心周波数が高
くなるから、周波数Ｆ。の発振信号が前記同調周波数以
上になつたときに制御電圧が安定になり、上述した平衡
状態になる。この発明は、上記実施例に限定されるもの
ではなく、たとえば電圧制御発振器１の抵抗を順次繰返
し切換えて複数の信号を順次繰返し発生する代りに、コ
ンデンサを順次繰返し切換えるようにしてもよいし、コ
ンデンサと抵抗の両者を切換えるようにしてもよい。

以上のようにこの発明は、周波数の異なる複数の信号を
順次繰返し発生してループコイルに供給し、かつ前記信
号とループコイルの誘導信号との位相を比較して位相の
遅進に対応した時系列のディジタル信号を発生して、こ
の信号を用いて金属物体を検知するから、信号をディジ
タル的に処理することができ、従つてディジタル信号の
処理回路が簡単になり廉価になるし、検知ミスを少なく
することができる。

また、ループコイルに供給する各信号がループコイルの
同調周波数前後の一定の周波数を有するから、ループコ
イルへの金属物体の接近により、インダクタンスがわず
かに変化するだけで前記ディジタル信号が変化し、従つ
て感度が高く、ループコイルを小さくしても正確に検知
することができ、その上ループコイルの布設工事が簡単
になり、この面でも廉価になる。第２発明によれば、ル
ープコイルに供給する信号を電圧制御発振器で発生し、
かつ時系列ディジタル信号を用いて電圧制御発振器の中
心周波数を制御するから、ループコイルに供給する信号
の周波数が金属物体の検出時や不検出時に応じて最適値
に自動修正され、従つて人為的な調整が不要であるし、
装置の安定度が著しく向上する。また、電圧制御発振器
の発振周波数を決定する要素てある抵抗及び又はコンデ
ンサを切換えることにより、複数の信号を順次繰返し発
振するから、発振信号の安定度が抵抗値が容量の比で一
義的に決まり、他の素子影響を受けず、きわめて高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属物体検知装置の一例を示す電気回路のブロ
ック図、第２図は信号の周波数と位相の関係を示す図、
第３図は判定回路と電圧保持回路の一例を示すブロック
図、第４図は電源投入時の動作説明図、第５図は安定状
態への移行時の動作説明図、第６図は安定状態の動作説
明図、第７図は検知時の動作説明図、第８図は不検知時
の動作Ｊ説明図である。１：電圧制御発振器、２：コンデンサ、３ａ〜３ｄ：抵
抗、４：抵抗切換回路、５：制御電圧の保持回路、７：
カウンタ、８：判定回路、１０：トランス、１３：ルー
プコイル、１４：位相比較丁器。

Claims

【特許請求の範囲】１検知すべき場所にループコイルを布設し、このルー
プコイルに金属物体が接近したことによるインタグタン
スの変化を利用して金属物体を検知する金属物体検知装
置において、ループコイルの同調周波数前後の複数の信
号を順次繰返し発生してループコイルに供給し、かつ前
記信号とループコイルの誘導信号との位相を比較して位
相の遅進に対応した時系列のディジタル信号を発生し、
この信号を用いて金属物体を検知することを特徴とする
金属物体検知方法。２検知すべき場所にループコイルを布設し、このルー
プコイルに金属物体が接近したことによるインタグタン
スの変化を利用して金属物体を検知する金属物体検知装
置において；電圧制御発振器と；前記電圧制御発振器の
抵抗及び又はコンデンサを順次繰返し切換えてループコ
イルの同調周波数前後の複数の信号を順次繰返し発生さ
せる手段と；前記電圧制御発振器の出力信号をループコ
イルに誘導する手段と；前記出力信号とループコイルの
誘導信号との位相を比較して、位相の遅進に応じた時系
列のディジタル信号を発生する位相比較器と；前記ディ
ジタル信号を用いて金属物体の有無を判定するとともに
、修正信号を出力する論理回路と；前記修正信号を用い
て、前記電圧制御発振器の中心周波数を制御する制御電
圧を発生する手段とを備えた金属物体検知装置。