(57)【要約】【課題】金属の有無に起因した磁気的な変化率を増大させることで、金属検知の測定精度を向上させることができる、金属検知システム、金属検知装置、及び金属検知方法を提供すること。【解決手段】金属を検知するための金属検知システム１０であって、検知領域に配置された検知コイル１１と、この検知コイル１１に対して直列接続されたキャパシタ１２と、これら検知コイル１１とキャパシタ１２を直列共振させる周波数でこれら検知コイル１１とキャパシタ１２に電流を流した状態に対する、これら検知コイル１１とキャパシタ１２のインピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて金属を検知する電流計１５やロックインアンプ１６を備える。【選択図】図６
2011145213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属を検知するためのシステムであって、
検知領域に配置された検知コイルと、
前記検知コイルに対して直列接続されたキャパシタと、
前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、これら検知コイルとキャパシタのインピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属を検知する測定手段と、
を備える金属検知システム。
【請求項２】
前記測定手段は、前記インピーダンスを測定するためのインピーダンスメータを有する、
請求項１に記載の金属検知システム。
【請求項３】
前記検知コイルを、リッツ線にて形成した、
請求項１又は２に記載の金属検知システム。
【請求項４】
前記測定手段は、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚ以下の周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄を検知する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の金属検知システム。
【請求項５】
前記測定手段は、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚを超える周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄又は銅を検知する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の金属検知システム。
【請求項６】
前記測定手段は、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚ以下の周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄を検知し、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚを超える周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化と、前記約１００ｋＨｚ以下の周波数による鉄の検知結果とに基づいて、前記金属としての銅を検知する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の金属検知システム。
【請求項７】
前記測定手段は、前記検知コイルと前記キャパシタに流れる電流を測定するための電流計を有する、
請求項１に記載の金属検知システム。
【請求項８】
金属を検知するための装置であって、
検知領域に配置された検知コイルと、
前記検知コイルに対して直列接続されたキャパシタと、
前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、これら検知コイルとキャパシタのインピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属を検知する測定手段と、
を備える金属検知装置。
【請求項９】
金属を検知するための方法であって、
検知領域に検知コイルを配置する検知コイル配置工程と、
前記検知コイルに対してキャパシタを直列接続するキャパシタ接続工程と、
前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、これら検知コイルとキャパシタのインピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属を検知する測定工程と、
を含む金属検知方法。
【請求項１０】
前記測定工程において、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚ以下の周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄を検知する、
請求項９に記載の金属検知方法。
【請求項１１】
前記測定工程において、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚを超える周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄又は銅を検知する、
請求項９に記載の金属検知方法。
【請求項１２】
前記測定工程において、
前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚ以下の周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄を検知する第１測定工程と、
前記第１測定工程の後、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚを超える周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化と、前記第１測定工程の測定結果とに基づいて、前記金属としての銅を検知する第２測定工程とを行う、
請求項９に記載の金属検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種の金属を検知するためのシステム、装置、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な目的で金属検知が行われている。例えば、建築構造物の壁や床を構成するコンクリート体に埋設された金属配管、電線、又は鉄筋等の存在を調べるための埋設物検知（あるいは非破壊検査）がある。また、空港やビルにおけるセキュリティのため、あるいはＭＲＩ室に金属が持ち込まれることを防止するために、入場者や入室者が携帯する金属の存在を調べるための金属検知がある。あるいは、食品工場等において、食品内に金属片等の異物が混入していないことを確認するための金属検知がある。そして、このような金属検知を行うための一つの原理として、電磁誘導方式が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、測定点Ｐの磁場を測定する測定子１１と、測定点Ｐに対して第１の磁場を発生させる検知コイルと、この検知コイルとは別体に構成されたものであって、測定点Ｐに対して第１の磁場とは反対方向の第２の磁場を発生させることにより、測定点Ｐにおける第１の磁場と第２の磁場との合成磁場を略ゼロとする外側コイル１３とを備え、この測定点Ｐにおける磁場をピックアップコイル１１ｂで測定することにより金属を検知する金属検知装置が開示されている。この金属検知装置によれば、測定対象における金属の有無、測定対象における金属の位置、金属の大きさ、及び金属が導電体であるか磁性体であるかの判別を行うことができるので、各種の金属検知に有用である。特に、測定点の合成磁場を略ゼロとしているので、出力変化が微小であっても容易に判定でき、微小な磁場変化を捉えることができて、高いＳ／Ｎ比の検知が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８６３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の金属検知装置において、測定点Ｐにおける第１の磁場と第２の磁場との合成磁場を略ゼロとするためには、検知コイルと外側コイル１３を設計通りの巻き数で構成することや、検知コイルや外側コイル１３の中心の位置にピックアップコイル１１ｂを傾きなしで設置する等、機械的な調整を行うことが必要である。しかしながら、実際には、金属検知装置を機械的に所望の状態に調整することは容易ではなく、測定点Ｐにおける合成磁場の初期調整を十分に行うことが容易ではないため、特に電線や電話線等の微小金属の検知においては、所望の測定精度を確保することが必ずしも容易ではなかった。
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、金属の有無に起因した磁気的な変化率を増大させることで、金属検知の測定精度を向上させることができる、金属検知システム、金属検知装置、及び金属検知方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に記載の金属検知システムは、金属を検知するためのシステムであって、検知領域に配置された検知コイルと、前記検知コイルに対して直列接続されたキャパシタと、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、これら検知コイルとキャパシタのインピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属を検知する測定手段とを備える。
【０００８】
請求項２に記載の金属検知システムは、請求項１に記載の金属検知システムにおいて、前記測定手段は、前記インピーダンスを測定するためのインピーダンスメータを有するものである。
【０００９】
請求項３に記載の金属検知システムは、請求項１又は２に記載の金属検知システムにおいて、前記検知コイルを、リッツ線にて形成したものである。
【００１０】
請求項４に記載の金属検知システムは、請求項１から３のいずれか一項に記載の金属検知システムにおいて、前記測定手段は、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚ以下の周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄を検知するものである。
【００１１】
請求項５に記載の金属検知システムは、請求項１から３のいずれか一項に記載の金属検知システムにおいて、前記測定手段は、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚを超える周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄又は銅を検知するものである。
【００１２】
請求項６に記載の金属検知システムは、請求項１から３のいずれか一項に記載の金属検知システムにおいて、前記測定手段は、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚ以下の周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄を検知し、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚを超える周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化と、前記約１００ｋＨｚ以下の周波数による鉄の検知結果とに基づいて、前記金属としての銅を検知するものである。
【００１３】
請求項７に記載の金属検知システムは、請求項１に記載の金属検知システムにおいて、前記測定手段は、前記検知コイルと前記キャパシタに流れる電流を測定するための電流計を有するものである。
【００１４】
請求項８に記載の金属検知装置は、金属を検知するための装置であって、検知領域に配置された検知コイルと、前記検知コイルに対して直列接続されたキャパシタと、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、これら検知コイルとキャパシタのインピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属を検知する測定手段とを備える。
【００１５】
請求項９に記載の金属検知方法は、金属を検知するための方法であって、検知領域に検知コイルを配置する検知コイル配置工程と、前記検知コイルに対してキャパシタを直列接続するキャパシタ接続工程と、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、これら検知コイルとキャパシタのインピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属を検知する測定工程とを含むものである。
【００１６】
請求項１０に記載の金属検知方法は、請求項９に記載の金属検知方法において、前記測定工程において、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚ以下の周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄を検知するものである。
【００１７】
請求項１１に記載の金属検知方法は、請求項９に記載の金属検知方法において、前記測定工程において、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚを超える周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄又は銅を検知するものである。
【００１８】
請求項１２に記載の金属検知方法は、請求項９に記載の金属検知方法において、前記測定工程において、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚ以下の周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、前記金属としての鉄を検知する第１測定工程と、前記第１測定工程の後、前記検知コイルと前記キャパシタを直列共振させる約１００ｋＨｚを超える周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、前記インピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化と、前記第１測定工程の測定結果とに基づいて、前記金属としての銅を検知する第２測定工程とを行うものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に記載の金属検知システム、請求項８に記載の金属検知装置、又は請求項９に記載の金属検知方法によれば、検知コイルとキャパシタを直列共振させることで、これら検知コイルとキャパシタのインピーダンスをほぼ抵抗に等しい値に低減できて、この値に対するインピーダンスの変化分や電流の変化分を捕捉することが容易となる。また、検知コイルとキャパシタを直列共振させることで、インピーダンスの変化率を、検知コイルのインダクタンスの変化分のほぼ２乗で変化させることが可能となる。これらのことから、金属の存在に起因するインピーダンスの変化や電流の変化を高いＳＮ比で測定することが可能になり、金属検知精度を向上させることが可能になる。また、インピーダンスの位相角や電流の位相角の変化を測定することで、鉄や銅の如き複数の種類の金属を相互に識別することが可能になる。さらに、この金属検知におけるゼロ点を調整するためには、検知コイルとキャパシタを直列共振させるという電気的な調整を行えばよく、検知コイルの構成や配置等による機械的な調整を行う必要がないため、初期調整を一層容易かつ高精度で行うことが可能である。
【００２０】
請求項２に記載の金属検知システムによれば、インピーダンスメータでインピーダンスを測定することにより、発振器、アンプ、電流計、及びロックインアンプを使用して電流を測定する場合に比べて、金属検知システムを一層簡易かつ一層安価に構成することが可能になる。
【００２１】
請求項３に記載の金属検知システムによれば、検知コイルを、リッツ線にて形成することで、検知コイルの抵抗を増やすことなくインダクタンスを増加させることができ、具体的には表皮効果と近接効果を抑制して抵抗を低下させ、Ｑ値を増大させることができるので、検知精度を一層高めることができる。
【００２２】
請求項４に記載の金属検知システム又は請求項１０に記載の金属検知方法によれば、検知コイルとキャパシタを約１００ｋＨｚ以下の周波数で直列共振させることで、直列共振回路を流れる電流の位相角を遅らせる金属（インピーダンスの位相角を進ませる金属）が検知されたか否かを判定することで、当該金属が鉄であるか否かを特定することができる。
【００２３】
請求項５に記載の金属検知システム又は請求項１１に記載の金属検知方法によれば、検知コイルとキャパシタを所定範囲の高周波数で直列共振させることで、直列共振回路を流れる電流の位相角を進ませる金属（インピーダンスの位相角を遅らせる金属）が検知されたか否かを判定することで、当該金属が鉄又は銅であるか否かを特定することができる。特に、検知コイルとキャパシタを約１００ｋＨｚを超える周波数で直列共振させることで、金属が銅である場合におけるインピーダンスや電流の変化率を大きくすることができ、金属を銅として特定することが容易になる。
【００２４】
請求項６に記載の金属検知システム又は請求項１２に記載の金属検知方法によれば、最初に、検知コイルとキャパシタを約１００ｋＨｚ以下の周波数で直列共振させることで、直列共振回路を流れる電流の位相角を遅らせる金属（インピーダンスの位相角を進ませる金属）が検知された否かを判定することで、当該金属が鉄であるか否かを特定することができる。次いで、検知コイルとキャパシタを約１００ｋＨｚを超える周波数で直列共振させることで、直列共振回路を流れる電流の位相角を進ませる金属（インピーダンスの位相角を遅らせる金属）が検知されたか否かを判定することで、当該金属が鉄又は銅であるか否かを特定することができる。特に、検知コイルとキャパシタを約１００ｋＨｚを超える周波数で直列共振させることで、金属が銅である場合におけるインピーダンスの変化率を大きくすることができ、金属を銅として特定することが容易になる。さらに、２回目の測定で鉄又は銅として特定された金属から、１回目の測定で鉄として特定された金属を除外することで、２回目の測定で検知された金属を銅として特定することができる。すなわち、低周波数による直列共振と高周波数による直列共振を組み合わせることで、鉄と銅を相互に区別しつつ検知することが可能になる。
【００２５】
請求項７に記載の金属検知システムによれば、検知コイルとキャパシタに流れる電流を電流計にて測定することで、この電流におけるインピーダンス変化を測定し、金属を検知することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】Ｑ値をパラメータとした時における、ＬＣＲ直列共振回路の電圧変化を示す図である。
【図２】共振を利用した場合のインピーダンスの絶対値と、共振を利用しない場合のインピーダンスの絶対値との関係を示す図である。
【図３】共振を利用した場合のインピーダンスの変化率と、共振を利用しない場合のインピーダンスの変化率との関係を示す図である。
【図４】インダクタンスの変化分と周波数との関係を解析するため解析モデルを示す図である。
【図５】図４の解析モデルによる解析結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る金属検知システムを測定対象と共に示す模式図である。
【図７】図６の検知コイルの断面図である。
【図８】実施の形態２に係る金属検知システムを測定対象と共に示す模式図である。
【図９】実験に用いた試験体を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図１０】インピーダンスの測定結果を示す図である。
【図１１】インピーダンスの位相角の測定結果を示す図である。
【図１２】インピーダンスの測定結果を示す図であり、共振周波＝５．０１ｋＨｚの検知コイルを使用した測定結果を示す図である。
【図１３】インピーダンスの位相差の測定結果を示す図であり、共振周波＝５．０１ｋＨｚの検知コイルを使用した測定結果を示す図である。
【図１４】インピーダンスの測定結果を示す図であり、共振周波＝４３．３４ｋＨｚの検知コイルを使用した測定結果を示す図である。
【図１５】インピーダンスの位相差の測定結果を示す図であり、共振周波＝４３．３４ｋＨｚの検知コイルを使用した測定結果を示す図である。
【図１６】インピーダンスの測定結果を示す図であり、共振周波＝８１６．９ｋＨｚの検知コイルを使用した測定結果を示す図である。
【図１７】インピーダンスの位相差の測定結果を示す図であり、共振周波＝８１６．９ｋＨｚの検知コイルを使用した測定結果を示す図である。
【図１８】図１２から図１７の測定結果をまとめて示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に添付図面を参照して、この発明の各実施の形態を詳細に説明する。まず、〔I〕各実施の形態に共通の基本的概念を説明した後、〔II〕各実施の形態の具体的内容について説明し、〔III〕最後に、各実施の形態に対する変形例について説明する。ただし、各実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２８】
〔I〕各実施の形態に共通の基本的概念
まず、各実施の形態に共通の基本的概念について説明する。各実施の形態に係る金属検知システム、金属検知装置、及び金属検知方法は、金属を検知するためのものである。
【００２９】
（金属）
検知対象となる金属の種類や構造は任意であり、後述する検知コイルからの磁界を受けた際に、検知コイルと後述するキャパシタによって構成される直列共振回路のインピーダンス又は当該直列共振回路を流れる電流の大きさや位相角に変化を与え得る全ての材質及び形状の金属を含み、例えば、鉄や銅を含有する金属であって、金属配管、電線、鉄筋、危険物、又は金属片として構成されたものを含む。この金属の存在形態も任意であり、例えば、検知対象空間において金属が露出状に配置されている場合や、人体によって携帯されている場合の他、他の物体の内部に埋設されている場合を含む。金属が埋設される物体としては、例えば、建築構造物や土木構造物の壁、床、柱、又は天井を構成するコンクリート体を挙げることができる。
【００３０】
（特徴の概要）
各実施の形態に係る金属検知システム、金属検知装置、及び金属検知方法の特徴の一つは、概略的に、検知コイルとキャパシタを直列接続して直列共振回路を構成し、検知コイルとキャパシタを直列共振させる周波数でこれら検知コイルとキャパシタに電流を流した状態に対する、これら検知コイルとキャパシタのインピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化に基づいて、金属を検知する点にある。このように、直列共振状態を初期状態として検知を行うことで、検知コイルとキャパシタのインピーダンスをほぼ抵抗に等しい値に低減できて、この値に対するインピーダンスの変化分や電流の変化分を捕捉することが容易となる。また、金属によるインピーダンス又は電流における大きさの変化又は位相角の変化を増大させることができ、高い精度で金属を検知することができる。
【００３１】
（検知原理）
以下、本願発明者が見出した、各実施の形態に係る金属の検知原理について説明する。一般に、インダクタンスＬ、キャパシタンスＣ、及び抵抗Ｒを相互に直列接続して構成されたＬＣＲ直列共振回路のインピーダンスＺは、次式（１）で示される。なお、ωは、角周波数である。
【数１】
2011145213.tif 000003
【００３２】
ここで、インダクタンスＬが変化分δだけ変化した時、すなわち、変化後のインダクタンスＬ’＝Ｌ（１＋δ）の時、この変化後のインピーダンスＺ’は、次式（２）で示される。ここで、Ｑは、直列共振回路の共振のピークの鋭さを示す値として一般的に用いられる値であり、Ｑ＝ωＬ／Ｒである。
【数２】
2011145213.tif 000004
【００３３】
ＬＣＲ直列共振回路の共振時におけるインピーダンスＺ０は抵抗Ｒに等しいことから、変化後のインピーダンスＺ’と共振時のインピーダンスＺ０の比は、次式（３）となり、その絶対値は次式（４）となる。また、ＬＣＲ直列共振回路を流れる電流の位相角は、次式（５）となる。
【数３】
2011145213.tif 000005
【数４】
2011145213.tif 000006
【数５】
2011145213.tif 000007
【００３４】
式（４）から、インピーダンスの絶対値において、インダクタンスＬの変化分δは、Ｑ倍に増幅されることが判る。また同様に、式（５）から、ＬＣＲ直列共振回路を流れる電流の位相角においても、インダクタンスＬの変化分δは、Ｑ倍に増幅されることが判る。
【００３５】
このＱ値の影響を検討するため、このＱ値をパラメータとした時における、ＬＣＲ直列共振回路の電圧変化を図１に示す。この図１において、横軸は、インダクタンスＬの変化分δ、縦軸は、共振時におけるインピーダンスＺ０の場合の電圧Ｚ０（絶対値）に対するインピーダンスＺの場合の電圧量Ｚ／Ｚ０（絶対値）であり、Ｑ値＝１０、５０、８６の３つの場合のデータをプロットしている。この図１から明らかなように、インダクタンスＬの変化分δの変化量に対する電圧の変化量Ｚ／Ｚ０（絶対値）は、Ｑ値が大きくなるに伴って大きくなる。従って、Ｑ値が大きくなるように金属検知システムを構成することで、インダクタンスＬの変化分δを増幅して検知することが可能になることが判る。
【００３６】
（検知原理−共振を利用することによるインピーダンスの絶対値の低減）
次いで、共振を利用した場合と、共振を利用しない場合（インダクタンスＬと抵抗Ｒのみを直列接続した場合）とを比較することで、共振を利用した場合の効果を検討する。まず、共振を利用した場合と、共振を利用しない場合とで、インピーダンスの絶対値がどのように影響を受けるのかを検討する。
【００３７】
共振を利用しない場合、インピーダンスＺは、次式（６）で示される。
【数６】
2011145213.tif 000008
【００３８】
ここで、インダクタンスＬが変化分δだけ変化した時、すなわち、変化後のインダクタンスＬ’＝Ｌ（１＋δ）の時、変化後のインピーダンスＺ’は、次式（７）で示される。
【数７】
2011145213.tif 000009
【００３９】
さらに、変化後のインピーダンスＺ’と抵抗Ｒとの比は、次式（８）となり、その絶対値は次式（９）となる。また、電流の位相角は、次式（１０）となる。
【数８】
2011145213.tif 000010
【数９】
2011145213.tif 000011
【数１０】
2011145213.tif 000012
【００４０】
ここで、式（４）で示される共振を利用した場合のインピーダンスの絶対値と、式（９）で示される共振を利用しない場合のインピーダンスの絶対値との関係を、図２に示す。この図２において、横軸は、インダクタンスＬの変化分δ、縦軸は、インピーダンスの絶対値を示している。なお、ここでは、Ｑ値＝８６とした。この図２から明らかなように、共振を利用していない場合のインピーダンスの絶対値に関しては、インピーダンス成分ωＬが支配的になり、抵抗Ｒの値はほぼ無視できるので、Ｑ値（＝ωＬ／Ｒ＝ここでは８６）にほぼ等しくなる。一方、共振を利用した場合のインピーダンスの絶対値は、抵抗Ｒになる。従って、共振を利用した場合のインピーダンスの絶対値は、共振を利用していない場合のインピーダンスの絶対値に対して、約１／Ｑの大きさになることが判る。
【００４１】
（検知原理−共振を利用することによるインピーダンスの変化率の増大）
さらに、共振を利用した場合と、共振を利用しない場合とで、インピーダンスの変化率がどのように影響を受けるのかを検討する。まず、式（４）より、インピーダンスのＺ’の変化率ΔＺ’は、以下の式（１１）となる。
【数１１】
2011145213.tif 000013
【００４２】
一方、共振を利用しない場合、変化後のインピーダンスＺ’と抵抗Ｒの比の絶対値は次式（１２）となり、インピーダンスのＺ’の変化率ΔＺ’は、以下の式（１３）となる。
【数１２】
2011145213.tif 000014
【数１３】
2011145213.tif 000015
【００４３】
式（１１）と式（１３）を比較すると、共振を利用した場合のインピーダンスのＺ’の変化率ΔＺ’は、共振を利用しない場合のインピーダンスのＺ’の変化率ΔＺ’に対して、（１／２）δ２Ｑ２となり、共振を利用することによって変化率ΔＺ’を増大させることができること、及び、Ｑ値を大きくする程、変化率ΔＺ’を増大させることができることが判る。
【００４４】
この点をさらに検討するため、共振を利用した場合のインピーダンスの変化率ΔＺ’と、共振を利用しない場合のインピーダンスの変化率ΔＺ’との関係を図３に示す。この図３において、横軸は、インダクタンスＬの変化分δ、縦軸は、インピーダンスの変化率ΔＺ’（％）を示している。ここではＱ値＝８６とした。この図３から明らかなように、共振を利用していない場合のインピーダンスの変化率ΔＺ’はほぼ線形であるが、共振を利用した場合にはインピーダンスの変化率ΔＺ’が概略的にはδの２乗で２次曲線的に増大することが判る。
【００４５】
（検知原理−インピーダンスの変化に関する結論）
ここで、図２に関して上記説明したことから、共振を利用することで、インピーダンスの絶対値をほぼ１／Ｑに減少することができ、インダクタンスＬの変化分δを捕捉することが容易になると言える。また、図３に関して上記説明したことから、共振を利用することで、インピーダンスの変化率をδの２乗で変化させることが可能になることが分かる。特に、Ｑ値を大きくする程、これらの効果が大きくなることが明らかである。そこで、各実施の形態に係る金属検知システム及び金属検知方法では、この検知原理に基づき、共振を利用することができ、かつ、Ｑ値を極力大きくすることができる構成及び手順を採用することで、検知精度の向上を図っている。
【００４６】
（検知原理−位相角の変化）
また、本願発明者は、後述する各種の実験の結果、直列共振回路を流れる電流の位相角と、インピーダンスの変化率、共振周波数、及び金属の種類との関係を見出した。すなわち、共振周波数を所定範囲の低周波数（以下、第１の共振周波数。例えば、所定範囲＝約１００ｋＨｚ以下の周波数）とした場合において、金属が鉄である場合には、直列共振回路を流れる電流の位相角が遅れること（ただしインピーダンスの位相角は進むこと）を見出した。これは、鉄筋の磁化の影響によるインダクタンスＬの増加によるものと考えられる。また、金属が銅である場合には、直列共振回路を流れる電流の位相角が進むこと（ただしインピーダンスの位相角は遅れること）を見出した。これは、銅の導電率が鉄に比べて高くしかも磁化の影響が０に近いため、渦電流が多く流れ、反作用磁界が生じたためと考えられる。一方、共振周波数を所定範囲の高周波数（以下、第２の共振周波数。例えば、所定範囲＝約１００ｋＨｚを超える周波数）とした場合には、金属が鉄である場合と、金属が銅である場合のいずれにおいても、直列共振回路を流れる電流の位相角が進むこと（ただしインピーダンスの位相角は遅れること）を見出した。さらに、共振周波数を第２の共振周波数とした場合の方が、第１の共振周波数とした場合に比べて、金属が銅である場合におけるインピーダンスの変化率が大きくなることを見出した。
【００４７】
このようなインダクタンスＬの変化分δと周波数との関係を解析した結果を示す。図４は、解析モデルを示す図である。この解析モデルは、後述する図９の試験体３０に対する、対称性を考慮した１／４領域の解析モデルである。ただし、試験体３０の直径３６ｍｍの円筒状のＣＤ管３２を、１辺が３６ｍｍの角筒状のＣＤ管３２に置き換え、後述する円形の検知コイル２１を、１辺が１１６ｍｍの角型の検知コイル２１に置き換えた。この検知コイルにより、５ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、８００ｋＨｚの３種類の周波数による磁界を印加し、コンクリート体３１のみの場合に対して、ＣＤ管３２の内部に銅（１４ｍｍ２の銅線を置き換えた４ｍｍ角の銅線３本）を挿入した場合と、ＣＤ管３２の内部に鉄（直径１３ｍｍを置き換えた１３ｍｍの角棒状の鉄筋。図示省略）を挿入した場合とで、インダクタンスＬを比較し、インダクタンスＬの変化分δをそれぞれ求めた。コンクリート、銅線、鉄筋の導電率はそれぞれ１０−５、５×１０７、２×１０６Ｓ／ｍとし、鉄筋の比透磁率は１、０００とした。図５は、この解析結果を示す図であり、横軸は、磁界の周波数、縦軸は、インダクタンスＬの変化分δを示す。この図５に示すように、金属が鉄である場合において、磁界の周波数＝１００ｋＨｚ以下の場合には、直列共振回路を流れる電流の位相角が遅れ（ただしインピーダンスの位相角は進み）インダクタンスＬの変化分δは正になり、磁界の周波数＝１００ｋＨｚ以上の場合には、直列共振回路を流れる電流の位相角が進み（ただしインピーダンスの位相角は遅れ）、インダクタンスＬの変化分δは負になる。
【００４８】
これらのことから、検知領域に鉄と銅の両方の種類の金属が存在する可能性がある場合、以下のような測定を行うことで、鉄と銅を区別しつつ検知することが可能になることが判る。すなわち、最初に、共振周波数を第１の共振周波数として検知を行い、直列共振回路を流れる電流の位相角を遅らせる金属（インピーダンスの位相角を進ませる金属）が検知された場合には、当該金属を鉄として特定することができる。次いで、共振周波数を第２の共振周波数として検知を行い、金属が検知された場合であって、当該検知された金属が、共振周波数を第１の共振周波数として検知された金属と異なる位置にある場合には、当該金属を銅として特定することができる。
【００４９】
〔II〕各実施の形態の具体的内容
次に、上記説明した検知原理に基づいて金属を検知するための、金属検知システム及び金属検知方法の各実施の形態の具体的内容について説明する。
【００５０】
〔実施の形態１〕
まず、実施の形態１について説明する。この実施の形態１は、インピーダンスの変化を電流計を用いて測定する形態である。最初に、実施の形態１に係る金属検知システムの構成について説明した後、金属検知方法について説明する。
【００５１】
（構成）
図６は、実施の形態１に係る金属検知システム１０を測定対象と共に示す模式図である。測定対象となるコンクリート体１には埋設物２（ここでは、ＣＤ管の内部に挿入されたケーブル線）が埋設されており、このコンクリート体１の近傍に金属検知システム１０が配置されている。この金属検知システム１０は、検知コイル１１、キャパシタ１２、発振器１３、アンプ１４、電流計１５、及びロックインアンプ１６を、線路１７〜１９を介して図示のように接続して構成されている。
【００５２】
検知コイル１１は、電線を一定の直径の円筒状に巻き付けることで形成されたソレノイドコイルであり、この検知コイル１１にアンプ１４から出力された電流を流すことで、検知コイル１１の内部には、当該検知コイル１１の軸方向に沿った磁場が形成される。ここでは、検知コイル１１の軸方向が、コンクリート体１の表面から埋設物２が存在し得る位置に向かう方向（図６に示すＺ方向。以下、検知方向）に沿うように、当該検知コイル１１を配置する。
【００５３】
ここで、上記検知原理で説明したように、Ｑ値を極力大きくすることが好ましい。すなわち、上述のようにＱ値（＝ωＬ／Ｒ）であるため、検知コイル１１の巻き数を増やすことでインダクタンスＬを増加させることも考えられるが、検知コイル１１の巻き数を増やした場合には抵抗Ｒも増えてしまうために、Ｑ値を大きくすることには寄与しない。そこで、本願発明者は、検知コイル１１を構成する電線の材料に着目した。すなわち、抵抗Ｒが小さい電線（例えば、リッツ線（エナメル撚線））を使用して検知コイル１１を構成することで、表皮効果と近接効果を抑制して抵抗Ｒを低下させ、Ｑ値を大きくすることとした。さらに、検知コイル１１を多層巻きで構成することにより、相互誘導を抑制し、インダクタンスＬを増加させている。
【００５４】
このように構成した検知コイル１１の断面図を図７に示す。この図７は、検知コイル１１を、その軸線に沿った切断面で切断した状態の断面図であり、例えば、内層を構成するリッツ線１１ａと、外層を構成するリッツ線１１ｂから、２層巻きコイルとして構成されている。リッツ線１１ａとリッツ線１１ｂの相互間にはスペーサ１１ｃが挟まれており、これらリッツ線１１ａとリッツ線１１ｂが所定間隔（図８では約３ｍｍ）を隔てて配置されている。また、各層においても、相互に隣接するリッツ線１１ａ同士や、相互に隣接するリッツ線１１ｂ同士は、所定間隔（図８では約３ｍｍ）を隔てて配置されている。
【００５５】
キャパシタ１２は、検知コイル１１に直列に接続されることで、この検知コイル１１と共に直列共振回路を構成する補償コンデンサである。
【００５６】
発振器１３は、直列共振回路を共振させるための所定の共振周波数（上述の第１の共振周波数及び第２の共振周波数）の電流を出力する基準電流源である。アンプ１４は、発振器１３から出力された電流を増幅して直列共振回路に出力する。電流計１５は、直列共振回路からアンプ１４に至る線路１７に接続され、この線路１７に流れる電流値を測定し出力する。ロックインアンプ１６には、電流計１５から出力された電流が測定信号として入力されると共に、発振器１３から出力された電流が参照信号として入力され、電流計１５から出力される電流のうち、発振器１３から出力された電流と等しい周波数成分の電圧値が出力される。なお、検知コイル１１とアンプ１４を相互に接続する線路１７としては、当該線路１７自身によって発生する磁場の影響を極力低減するため、ツイスト導線を用いることが好ましい。これら発振器１３、アンプ１４、電流計１５、及びロックインアンプ１６は、特許請求の範囲における測定手段を構成する。
【００５７】
ここで、検知コイル１１のインダクタンスＬｃ又はキャパシタ１２のキャパシタンスＣｐと、共振周波数の関係について説明する。共振周波数としては、検知領域に存在し得る金属の種類に応じた共振周波数を利用することが好ましい。例えば、検知領域に存在し得る金属が「鉄」のように比透磁率が比較的大きい金属である場合には、上述の第１の共振周波数（低周波数）においても磁化の影響によるインピーダンスの変化率に基づいて、当該金属を検知することが容易である。一方、検知領域に存在し得る金属が「銅」のように電気抵抗が比較的小さい金属である場合には、低周波数では渦電流が十分に発生しないため、上述の第２の共振周波数（高周波数）において十分な渦電流を発生させて検知することが必要となる。
【００５８】
ここで、共振周波数ｆは、検知コイル１１のインダクタンスをＬｃ、キャパシタ１２のキャパシタンスをＣｐとすると、以下の式（１４）によって示される。
【数１４】
2011145213.tif 000016
【００５９】
このため、所望の第１の共振周波数や第２の共振周波数による共振を利用するためには、これら第１の共振周波数や第２の共振周波数に合致するように、検知コイル１１のインダクタンスＬｃ又はキャパシタ１２のキャパシタンスＣｐを設定することが必要になる。そこで、本実施の形態１では、インダクタンスＬｃが異なる複数の検知コイル１１や、キャパシタンスＣｐが異なる複数の複数のキャパシタ１２を予め準備しておき、所望の共振周波数やその他の条件に合致した検知コイル１１やキャパシタ１２を選択的に使用するものとする。
【００６０】
（金属検知方法）
次に、このように構成された金属検知システム１０を用いて行われる金属検知方法について説明する。この方法では、最初に初期調整を行う。具体的には、第１の周波数に合致したインダクタンスＬｃを有する検知コイル１１及びキャパシタンスＣｐを有するキャパシタ１２を用いて金属検知システム１０を構成し、この検知コイル１１の周囲に金属がない状態で発振器１３を起動して第１の共振周波数で電流を流し、ロックインアンプ１６の出力（電圧値）が初期値（理論的には、抵抗成分に対応する値）であることを確認する。ここでは、従来のようにピックアップコイル等の機械的な調整を行う必要がなく、発振器１３の周波数を電気的に設定するだけで初期調整を行うことができるので、初期調整が容易である。
【００６１】
次に、検知コイル１１を検知領域に移動させる。例えば、検知領域に配置したコンクリート体１の表面に近接するように、あるいはコンクリート体１の表面に接触するように検知コイル１１を配置し、この検知コイル１１を、コンクリート体１の表面に沿った複数の測定位置に順次移動させる。各測定位置において、検知コイル１１によって形成される磁場内に金属が存在する場合には、電磁誘導によって金属（ここでは、ＣＤ管に挿入したケーブル線）に渦電流が発生し、渦電流により磁界が形成されることで、直列共振回路のインピーダンスが変化する。このインピーダンスの変化は、ロックインアンプ１６における電圧変化として測定することができるため、この測定結果に基づいて、検知領域における金属を検知することが可能となる。特に、Ｑ値を増大させているため、インピーダンスの変化率を増加させることができ、Ｓ／Ｎ比の高い検知を行うことが可能となる。
【００６２】
また、検知コイル１１によって形成される磁場内に金属が存在する場合には、この金属の種類により、直列共振回路の電流の位相角が変化する。この位相角の変化は、参照信号の位相角を基準とする変化として、ロックインアンプ１６にて測定することができる。ここで、電圧変化に基づいて検知領域に金属が存在することが判り、かつ、位相角が遅れている場合には、当該金属が鉄であると特定することができる（第１測定工程）。なお、仮にこの時点で、位相角が進んでいる場合には、当該金属が銅であると特定することができるが、これまでの実験では、第１の共振周波数による銅のインピーダンスの変化は微小であるため、検知することは必ずしも容易ではない。
【００６３】
そこで、第２の周波数に合致したインダクタンスＬｃを有する検知コイル１１及びキャパシタンスＣｐを有するキャパシタ１２を用いて金属検知システム１０を再構成し、この検知コイル１１の周囲に金属がない状態で発振器１３を起動して第２の共振周波数で電流を流し、ロックインアンプ１６の出力（電圧値）が初期値（理論的には、抵抗成分に対応する値）であることを確認する。
【００６４】
そして、上記第１測定工程の場合と同様に、検知コイル１１を検知領域に移動させ、直列共振回路のインピーダンス変化に基づいて、検知領域における金属を検知する。この際にも、Ｑ値を増大させているため、インピーダンスの変化率を増加させることができ、Ｓ／Ｎ比の高い検知を行うことが可能となる。特に、第２の共振周波数においては第１の共振周波数よりも銅のインピーダンスの変化が大きくなるため、銅を比較的容易に検知することができる。また、ここで検知された金属のうち、第１測定工程で既に検知された鉄を除外した金属が、銅であると特定することができる（第２測定工程）。
【００６５】
なお、このように金属が鉄であるか銅であるかの判断は、例えば、ロックインアンプ１６の出力をユーザが目視しながら判断することもできるが、自動的に判断させることもできる。例えば、測定手段の一部として、図示しない判定部（ＣＰＵとソフトウェアで構成される）を設け、ロックインアンプ１６の出力を判定部に入力し、第１測定工程で金属が検知された位置を自動的に鉄の検出位置として判定し、第２測定工程で金属が検知された位置から第１測定工程で金属を除外した位置を自動的に銅の検出位置として判定し、この判定結果を表示等させるようにしてもよい。この際、位置情報は、ユーザが検出コイルを移動させる毎に、絶対的又は任意の位置を基準とする相対的な座標等により任意の入力手段を介して入力してもよく、あるいは、検出コイルの移動に伴って位置情報を取得するような手段（高精度のＧＰＳや、後述する変形例で説明するような車輪を用いた距離測定手段）から自動的に取得するようにしてもよい。
【００６６】
（実施の形態１の効果）
このように実施の形態１によれば、検知コイル１１とキャパシタ１２を直列共振させることで、これら検知コイル１１とキャパシタ１２のインピーダンスをほぼ抵抗に等しい値に低減できて、この値に対するインピーダンスの変化分を捕捉することが容易となる。また、検知コイル１１とキャパシタ１２を直列共振させることで、インピーダンスの変化率を、検知コイル１１のインダクタンスの変化分のほぼ２乗で変化させることが可能となる。これらのことから、インピーダンスの変化を高いＳＮ比で測定することが可能になり、金属検知精度を向上させることが可能になる。また、電流の位相角の変化を測定することで、鉄や銅の如き複数の種類の金属を相互に識別することが可能になる。さらに、この金属検知におけるゼロ点を調整するためには、検知コイル１１とキャパシタ１２を直列共振させるという電気的な調整を行えばよく、検知コイル１１の配置等による機械的な調整を行う必要がないため、初期調整を一層容易かつ高精度で行うことが可能である。
【００６７】
また、検知コイル１１を、リッツ線にて形成することで、検知コイル１１の抵抗を増やすことなくインダクタンスを増加させることができ、表皮効果と近接効果を抑制して抵抗Ｒを低下させ、Ｑ値を増大させることができるので、検知精度を一層高めることができる。さらに、コイルを多層巻きにしてインダクタンスＬを増加させることで、Ｑ値を増大させることができ、検知精度を一層高めることができる。
【００６８】
また、検知コイル１１とキャパシタ１２を約１００ｋＨｚ以下の周波数で直列共振させることで、直列共振回路を流れる電流の位相角を遅らせる金属が検知された否かを判定することで、当該金属が鉄であるか否かを特定することができる。
【００６９】
また、検知コイル１１とキャパシタ１２を約１００ｋＨｚを超える周波数で直列共振させることで、直列共振回路を流れる電流の位相角を進ませる金属が検知されたか否かを判定することで、当該金属が鉄又は銅であるか否かを特定することができる。特に、検知コイル１１とキャパシタ１２を所定範囲の高周波数で直列共振させることで、金属が銅である場合におけるインピーダンスの変化率を大きくすることができ、金属を銅として特定することが容易になる。
【００７０】
また、検知コイル１１とキャパシタ１２に流れる電流を電流計１５にて測定することで、この電流におけるインピーダンス変化を測定し、金属を検知することが可能になる。
【００７１】
また、最初に、検知コイル１１とキャパシタ１２を約１００ｋＨｚ以下の周波数で直列共振させることで、直列共振回路を流れる電流の位相角を遅らせる金属が検知された否かを判定することで、当該金属が鉄であるか否かを特定することができる。次いで、検知コイル１１とキャパシタ１２を約１００ｋＨｚを超える周波数で直列共振させることで、直列共振回路を流れる電流の位相角を進ませる金属が検知されたか否かを判定することで、当該金属が鉄又は銅であるか否かを特定することができる。特に、検知コイル１１とキャパシタ１２を約１００ｋＨｚを超える周波数で直列共振させることで、金属が銅である場合におけるインピーダンスの変化率を大きくすることができ、金属を銅として特定することが容易になる。またさらに、２回目の測定で鉄又は銅として特定された金属から、１回目の測定で鉄として特定された金属を除外することで、２回目の測定で検知された金属を銅として特定することができる。すなわち、低周波数による直列共振と高周波数による直列共振を組み合わせることで、鉄と銅を相互に区別しつつ検知することが可能になる。
【００７２】
〔実施の形態２〕
まず、実施の形態２について説明する。この実施の形態２は、インピーダンスの変化を直接測定する形態である。ただし、実施の形態２において特に説明なき構成及び手順については実施の形態１と同様であり、実施の形態１と同じ構成及び手順については、必要に応じて、実施の形態１で使用したものと同じ符号を付することでその説明を省略する。最初に、実施の形態２に係る金属検知システムの構成について説明した後、金属検知方法について説明する。
【００７３】
（構成）
図８は、実施の形態２に係る金属検知システム２０を測定対象と共に示す模式図である。この金属検知システム２０は、検知コイル２１、キャパシタ２２、及びインピーダンスメータ２３を、線路２４〜２８を介して図示のように接続して構成されている。なお、検知コイル２１、キャパシタ２２は、それぞれ、図６の検知コイル１１、キャパシタ１２と同様に構成できるので、その説明を省略する。
【００７４】
インピーダンスメータ（ＬＣＲメータ）２３は、直列共振回路を共振させるための所定の共振周波数（上述の第１の共振周波数及び第２の共振周波数）の電流を、直列共振回路に出力する。また、インピーダンスメータ２３には、直列共振回路から出力された電流が入力され、この電流のインピーダンスと位相角が測定される。このように、インピーダンスの変化をインピーダンスメータ２３で直接測定することで、実施の形態１における発振器１３、アンプ１４、電流計１５、及びロックインアンプ１６を、１台のインピーダンスメータ２３で置換することができ、実施の形態１における金属検知システム１０に比べて、金属検知システム２０を一層簡易かつ一層安価に構成することが可能になる。このインピーダンスメータ２３は、特許請求の範囲における測定手段を構成する。なお、インピーダンスメータ２３と直列共振回路の接続には同軸ケーブル２６を使用しているが、Ｑ値を増大させるためには、同軸ケーブル２６ではなく通常のケーブル線を使用してもよい。
【００７５】
（金属検知方法）
次に、このように構成された金属検知システム２０を用いて行われる金属検知方法について説明する。この方法では、最初に初期調整を行う。具体的には、第１の周波数に合致したインダクタンスＬｃを有する検知コイル２１及びキャパシタンスＣｐを有するキャパシタ２２を用いて金属検知システム２０を構成し、この検知コイル２１の周囲に金属がない状態で発振器１３を起動して第１の共振周波数で電流を流し、この時にインピーダンスメータ２３で測定されたインピーダンス（理論的には、抵抗成分に対応する値）を初期値とする。
【００７６】
次に、検知コイル２１を検知領域に移動させる。この際、検知コイル２１によって形成される磁場内に金属が存在する場合には、直列共振回路のインピーダンスが初期値から変化し、このインピーダンスの変化がインピーダンスメータ２３にて測定できるため、この測定結果に基づいて、検知領域における金属を検知することが可能となる。特に、Ｑ値を増大させているため、インピーダンスの変化率を増加させることができ、Ｓ／Ｎ比の高い検知を行うことが可能となる。また、インピーダンスにて測定される位相角が進んでいる場合には、当該金属が鉄であると特定することができる（第１測定工程）。
【００７７】
次いで、第２の周波数に合致したインダクタンスＬｃを有する検知コイル２１及びキャパシタンスＣｐを有するキャパシタ２２を用いて金属検知システム２０を再構成し、この検知コイル２１の周囲に金属がない状態で発振器１３を起動して第２の共振周波数で電流を流し、この時にインピーダンスメータ２３で測定されたインピーダンス（理論的には、抵抗成分に対応する値）を初期値とする。
【００７８】
次に、上記第１測定工程の場合と同様に、検知コイル２１を検知領域に移動させ、直列共振回路のインピーダンス変化に基づいて、検知領域における金属を検知する。この際にも、Ｑ値を増大させているため、インピーダンスの変化率を増加させることができ、Ｓ／Ｎ比の高い検知を行うことが可能となる。特に、第２の共振周波数においては第１の共振周波数よりも銅のインピーダンスの変化が大きくなるため、銅を比較的容易に検知することができる。また、ここで検知された金属のうち、第１測定工程で既に検知された鉄を除外した金属が、銅であると特定することができる（第２測定工程）。
【００７９】
（実験結果）
次に、本実施の形態２に係る金属検知システム２０を用いて行われた本願発明者による実験の結果について説明する。図９は、実験に用いた試験体３０を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。この図９に示すように、幅３００ｍｍ×長さ８００ｍｍ×厚さ８５ｍｍのコンクリート体３１に対して、長さ方向及び厚さ方向の略中央位置に、幅方向に沿って直径３６ｍｍの円筒状のＣＤ管３２を配置した。このＣＤ管３２の内部には、ケーブル線３３（直径８ｍｍ２の銅線を３本）又は鉄筋３４（直径１２ｍｍの鉄筋を１本）選択的に挿入した。
【００８０】
最初に、図９の試験体３０をモデルとして三次元磁界解析を行い、インダクタンスのＳＮ比を求めた。ここでは、検知コイル２１により７９５ｋＨｚで磁束を加えた場合を想定し、コンクリート体３１、ケーブル線３３、鉄筋３４の導電率を、それぞれ１×１０−５、５×１０７、２×１０６Ｓ／ｍとし、鉄の比透磁率を１、０００とした。この結果、鉄筋３４が有る場合と、鉄筋３４が無い場合（ＣＤ管のみの場合）とで、インダクタンスのＳＮ比は０．０４７％、ケーブル線３３が有る場合と、ケーブル線３３が無い場合（ＣＤ管のみの場合）とで、インダクタンスのＳＮ比は０．２６１％となり、いずれもＳＮ比が低いことから、従来のピックアップコイルを用いた磁場測定では計測が困難であることが確認された。
【００８１】
次いで、図９の試験体３０に対して、図８の金属検知システム２０を用いた金属検知を行った場合の測定結果を、数値計算により予測した。ここでは、検知コイル２１を、リッツ線による直径１１５ｍｍの１０ターンコイルとして構成し、キャパシタ２２を、１７００ｐＦとした。この場合、ω＝２πｆ＝２×３．１４１５×７９５ｋＨｚ、Ｌ＝３０μＨ、Ｒ＝２Ωより、Ｑ値＝ωＬ／Ｒ＝約７５となる。
【００８２】
Ｑ値＝約８６と式（４）により、上述の鉄筋３４が有る場合と鉄筋３４が無い場合のインダクタンスのＳＮ比＝０．０４７％＝０．０００４７と、ケーブル線３３が有る場合とケーブル線３３が無い場合のインダクタンスのＳＮ比＝０．２６１％＝０．００２６１とから、Ｚ／Ｚ０（絶対値）を算定すると、鉄筋３４では１．０００６、ケーブル線３３では１．０１８となり、それぞれＳＮ比は０．０６％、１．８％に増大できると予測された。すなわち、Ｑ値を大きくすることで、インピーダンスの変化率を大きく増大させることができることが理論的に検証された。
【００８３】
特に、この場合には、インピーダンスの初期値は、キャパシタ２２を用いて直列共振回路を構成したことで、２００Ωから２Ωにまで下げることができ、インピーダンスの微小な変化分が検知しやすくなった。なお、理論上の共振周波数は、式（１４）と、キャパシタ２２のキャパシタンスＣｐ＝１７００ｐＦ及び検知コイル２１のリアクタンスＬｃ＝３０μＨより、約８８４ｋＨｚとなり、同軸ケーブル２６によるＬｃの低下分を考慮すると、検知コイル２１に加えた７９５ｋＨｚとほぼ一致することが確認できる。
【００８４】
その後、図９の試験体３０に対して、図８の金属検知システム２０を用いた金属検知を行った。具体的には、検知コイル２１を、図９に想像線で示す測定位置Ｐ１（長さ方向の中央位置から図示左側に２００ｍｍの位置）から測定位置Ｐ２（長さ方向の中央位置から図示右側に２００ｍｍの位置）に至る迄、一定間隔（２０ｍｍピッチ）で測定位置を順次移動させつつ、各測定位置においてインピーダンス及び位相角を測定した。
【００８５】
図１０は、インピーダンスの測定結果を示す図であり、横軸は、測定位置Ｘ、縦軸は、インピーダンスＺを示す。この図１０に示すように、金属がない領域に対する、鉄筋３４のインピーダンスの比率とケーブル線３３のインピーダンスの比率は、それぞれ９．１％、２．８％であり、インピーダンスの変化率を高いＳＮ比で測定できた。特に、ケーブル線３３の比率＝２．８％は、Ｑ値＝７５を用いて（１）式より予測した上述のＳＮ比１．８％とほぼ一致しており、設計通りの結果が得られた。
【００８６】
図１１は、インピーダンスの位相角の測定結果を示す図であり、横軸は、測定位置、縦軸は、位相角を示す。この図１１に示すように、金属がない領域に対する、鉄筋の位相角の比率とケーブル線の位相角の比率は、それぞれ５．７％、３．６％であり、位相角の変化率を高いＳＮ比で測定できた。
【００８７】
さらに、図９の試験体３０に対する測定を、共振周波数が異なる複数の検知コイル２１を用いて行うことで、共振周波数の相違の影響を実験した。ここでは、共振周波＝５．０１ｋＨｚ（低周波数）、４３．３４ｋＨｚ（中周波数）、８１６．９ｋＨｚ（高周波数）の計３種類の検知コイル２１を切り替えて使用した。測定対象としては、鉄（ＣＤ管に挿入された上記の鉄筋３４）と、銅（ＣＤ管に挿入された直径８ｍｍ２の銅線×３本）と、銅（ＣＤ管に挿入された直径１４ｍｍ２の銅線×３本）とを使用した。
【００８８】
図１２、１４、１６は、インピーダンスの測定結果を示す図、図１３、１５、１７は、共振周波数の位相角に対するインピーダンスの位相角の変化分（位相差）の測定結果を示す図であり、図１２、１３は共振周波＝５．０１ｋＨｚの検知コイル２１を使用した測定結果、図１４、１５は４３．３４ｋＨｚの検知コイル２１を使用した測定結果、図１６、１７は８１６．９ｋＨｚの検知コイル２１を使用した測定結果を示す図である。また、図１８には、これらの実験結果をまとめて示す。
【００８９】
これら図１２から図１８に示すように、測定対象が鉄である場合には、共振周波数が高くなると、ＳＮ比が低下し、測定対象が銅である場合には、共振周波数が高くなると、ＳＮ比が向上することが確認された。また、測定対象が鉄である場合には、共振周波数が低周波数である場合には、インピーダンスの位相差が正であるが（インピーダンスの位相が進んでいるが）、共振周波数が高周波数である場合には、インピーダンスの位相差が負である（インピーダンスの位相が遅れている）ことが確認された。また、測定対象が銅である場合には、いずれの共振周波数においても、インピーダンスの位相差が負である（インピーダンスの位相が遅れている）ことが確認された。
【００９０】
（実施の形態２の効果）
このように実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果に加えて、インピーダンスメータ２３でインピーダンス又は位相角を測定することにより、発振器１３、アンプ１４、電流計１５、及びロックインアンプ１６を使用して電流を測定する場合に比べて、金属検知システム２０を一層簡易かつ一層安価に構成することが可能になる。
【００９１】
〔III〕各実施の形態に対する変形例
以上、本発明に係る各実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成及び手段は、特許請求の範囲に記載した各発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。以下、このような変形例について説明する。
【００９２】
（解決しようとする課題や発明の効果について）
まず、発明が解決しようとする課題や発明の効果は、前記した内容に限定されるものではなく、発明の実施環境や構成の細部に応じて異なる可能性があり、上述した課題の一部のみを解決したり、上述した効果の一部のみを奏することがある。さらに、本発明によって、上述していない課題を解決したり、上述していない効果を奏することもある。
【００９３】
（共振周波数について）
共振周波数としては、上述した第１の共振周波数や第２の共振周波数のような２種類の周波数以外にも、さらなる共振周波数を設定してもよい。
【００９４】
（測定順序について）
上記各実施の形態では、最初に低周波数で鉄を検知し、次に高周波数で銅を検知しているが、この測定順序を逆にしてもよい。すなわち、最初に高周波数で検知を行うことで、鉄又は銅の位置を特定し、次に低周波数で検知を行うことで、鉄の位置を特定し、この鉄の位置と最初に特定した鉄又は銅の位置とから銅の位置を特定してもよい。
【００９５】
（金属検知システムの構成について）
上述のように、第１の共振周波数や第２の共振周波数のように複数の共振周波数を利用する場合、インダクタンスの異なる複数の検知コイル１１、２１と、キャパシタンスの異なる複数のキャパシタ１２、２２を準備し、これらを相互に組み合わせる。この場合、複数の検知コイル１１、２１や複数のキャパシタ１２、２２を予め金属検知システム１０、２０に組み込み、スイッチ等の切り替え手段を用いて、所望の共振周波数に合致した検知コイル１１、２１やキャパシタ１２、２２を選択するようにしてもよい。
【００９６】
また、金属検知システム１０、２０の実際の構成には、さらなる工夫を施すことができる。例えば、上述の実験のように、複数の測定位置で測定を行う場合には、これら複数の測定位置の各々に検知コイル１１、２１を容易に移動させるため、車輪付きの台車に、検知コイル１１、２１を含む金属検知システム１０、２０や電源を積載し、台車を移動させることで、検知コイル１１、２１を各測定位置に移動させるようにしてもよい。この際、例えば、台車の車輪の回転数に基づいて台車の移動距離を測定する距離測定手段を持たせ、この距離測定手段によって測定された移動距離に基づいて、検知コイル１１、２１の位置を決定してもよい。また、台車には、インピーダンスメータ２３等の測定手段の測定結果を表示する表示部を設け、この表示部に表示された測定結果を見ながら台車を移動させることで、金属の位置をモニタリングしてもよい。また、台車には、インピーダンスメータ２３等の測定手段の測定結果を記憶する記憶手段を設け、記憶手段にて磁気カード等の任意の記憶媒体に測定結果を記憶させ、この記憶媒体を取り出して外部機器への測定結果入力に使用できるようにしてもよい。
【００９７】
また、共振周波数で設定した初期値に対するインピーダンスや位相角の変化に基づく測定を行う限りにおいて、その測定結果の判定方法や出力形態としては、種々の態様を取り得る。例えば、初期値に対するインピーダンスや位相角の変化に閾値を設定しておき、この閾値を超えるインピーダンスや位相角の変化が測定された場合には、アラーム音や表示灯による出力を行うことで、金属が検知された事実をユーザに報知してもよい。
【００９８】
（金属検知装置の構成について）
また、これまでに説明した金属検知システム１０は、金属検知装置として構成してもよい。例えば、筐体の内部に、発振器１３、アンプ１４、電流計１５、ロックインアンプ１６、及び線路１８、１９の機能を奏する回路等を一体に収容し、この筐体の外部に、検知コイル１１やキャパシタ１２を交換可能に配置すると共に発振器１３等に線路１７で接続してもよい。このような一体的な構成にすることで、建築現場等での検知作業を一層容易に行うことが可能となる。また、これまでに説明した金属検知システム２０は、金属検知システムとして説明しているが、測定手段としてはインピーダンスメータ２３のみを備えて簡易に構成されているため、金属検知装置を構成すると考えてもよい。
【符号の説明】
【００９９】
１  コンクリート体
２  埋設物
１０、２０  金属検知システム
１１、２１  検知コイル
１１ａ、１１ｂ  リッツ線
１１ｃ  スペーサ
１２、２２  キャパシタ
１３  発振器
１４  アンプ
１５  電流計
１６  ロックインアンプ
１７〜１９、２４〜２８  線路
２３  インピーダンスメータ
３０  試験体
３１  コンクリート体
３２  ＣＤ管
３３  ケーブル線
３４  鉄筋
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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