JP2001116851A - 物体又はその材料性質の無接触検出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 最も困難な周囲条件下でも物体又はその材料
性質を疑いなく検出できる、物体又はその材料性質の無
接触検出方法及び装置を提供する。 【構成】 物体又はその材料性質を無接触で検査するた
め、 Ａ． 送信器と受信器との間に交流電界を形成
し、 Ｂ． 検出器により電界を測定し、 Ｃ． 検出された測定値を、次の段階を持つ評価
方法により評価し、 Ｃ．１．１ 検出された測定値から信号波の経過を求
め、Ｃ．１．２ 求められた信号波の時間的経過を基準
信号の時間的経過と比較するか、又は Ｃ．２．１ 検出された測定値から最大振幅を求め、
Ｃ．２．２ 求められた最大振幅を基準信号の最大振幅
と比較するか、又は Ｃ．３．１ 検出された測定値から位相を求め、Ｃ．
３．２ 求められた位相を基準信号の位相と比較し、 Ｄ． 比較を評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体又はその材料
性質の無接触検出方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】なるべく水中の物体の無接触検出は、し
ばしば電磁又は音響原理に従って行われ、その際能動装
置と受動装置とが区別される。受動装置では、測定すべ
き物体自体から信号が発生され、検出器により受信され
る。能動装置では、この装置自体が信号を送出し、この
信号が測定すべき物体により装置へ反射され、検出器に
より受信される。この信号は音、光又は他の電磁信号で
あってもよい。

【０００３】容量性性質を持つ物体例えば生きているか
又は以前に生きていた生物又は植物は、今まで使用され
た装置によっては、例外的な場合にのみ、即ち全く特殊
な付加的性質が存在する時、疑いなく検出可能である。
これは例えば、この生きている物体自体が熱を発生し、
この熱が赤外線の形で検出可能である時に、当てはま
る。これは、周囲より著しく暖かいような物体しか検出
できないという欠点を持っている。

【０００４】例えばレーダ、赤外線又は超音波のような
能動的に動作する装置は、特に空気中又は液体中に障害
物又は浮遊粒子が存在すると、特定の周囲において容易
に妨げられるか又は強く弱められる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これから出発して本発
明の基礎になっている課題は、最も困難な周囲条件下で
も物体又はその材料性質を疑いなく検出できる、物体又
はその材料性質の無接触検出方法及び装置を提供するこ
とである。

【０００６】これから出発して、物体の容量性又は抵抗
性性質を知ると、その材料性質の確実な推論が可能であ
るという知識が、本発明の基礎になっている。

【０００７】更に交流電界中で主として容量性性質を持
つ物体が正弦信号の経過を変化し、主として抵抗性性質
を持つ物体が正弦信号の振幅又は位相を変化するという
知識が、本発明の基礎になっている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題の技術的解決策
として、本発明によれば次の段階を持つ方法が提案され
る。即ち Ａ． 送信器と受信器との間に交流電界を形成
し、 Ｂ． 検出器により電界を測定し、 Ｃ． 検出された測定値を、次の段階を持つ評価
方法により評価し、 Ｃ．１．１ 検出された測定値から信号波の経過を求
め、 Ｃ．１．２ 求められた信号波の時間的経過を基準信号
の時間的経過と比較するか、又は Ｃ．２．１ 検出された測定値から最大振幅を求め、 Ｃ．２．２ 求められた最大振幅を基準信号の最大振幅
と比較するか、又は Ｃ．３．１ 検出された測定値から位相を求め、 Ｃ．３．２ 求められた位相を基準信号の位相と比較
し、 Ｄ． 比較を評価する。

【０００９】この技術的教示に従って構成される方法
は、交流電界の測定を簡単かつ安価に行うことができ、
これらのデータを簡単に評価できるという利点を持って
いる。その際信号波の時間的経過の変化又は位相の変化
は、物体の容量性性質を推論させ、振幅の変化は物体の
抵抗性性質を推論させる。即ち容量性性質を持つ物体は
例えば生きているか又は以前に生きていた物体であり、
抵抗性性質を持つ物体は例えば金属物体である。

【００１０】別の利点は、検出される信号と基準信号と
の相違に基いて材料の変化を推論できることである。例
えば金属物体は欠点のない状態では特定のオーム抵抗を
持ち、金属物体がひび割れ、空隙又は他の材料損傷を持
っていると、同じ金属物体は異なるオーム抵抗を持つ。
これから材料不純物を確認することができる。なぜなら
ば、これらの不純物はオーム抵抗又は容量性性質の変化
を生じるからである。

【００１１】更に別の利点は、検出された容量性又は抵
抗性性質を比較する際、これらの測定値をデータバンク
で補償することにより、関係する材料を推論できること
である。

【００１２】好ましい実施形態では、基準信号として送
出される正弦信号又は物体の不存在下で検出される信号
が使用される。

【００１３】基準信号として送出される信号を記憶する
ことは、これが安価に速やかに可能であり、物体の不存
在下における交流電界の測定が非常に精確な基準信号を
生じるという利点を持っている。なぜならば、この場合
局部的な実情を考慮できるからである。水中又は流水中
でこの方法を使用すると、これにより万一の流れ、水中
にある浮遊粒子又は近くにある他の物体を検出すること
ができるので、本来の物体を後で測定する際、本来の物
体によって生じる交流電界の変化のみが測定され、これ
により非常に精確な結果が得られる。

【００１４】別の好ましい実施形態では、物体の不存在
下で交流電界の測定が行われ、後の時点でも基準信号と
してこれらのデータの記憶が行われるので、これにより
場合によっては変化する周囲条件が検出され、従って本
来の物体の後での測定も非常に精確に評価することがで
きる。

【００１５】別の好ましい実施形態では、基準物体が交
流電界へ入れられ、これが測定される。これにより得ら
れる測定値は、それから基準信号として記憶される。

【００１６】これは、それにより例えば量産される物体
を材料欠陥について検査できるという利点を持ってい
る。検査すべき本来の物体から得られる測定値を基準物
体の測定値と比較することによって、ひび割れ、空隙、
材料不純物又は他の材料欠陥を確実に検出することがで
きる。なぜならば、これらが材料の容量性又は抵抗性性
質を変化するからである。

【００１７】前述した材料欠陥の精確かつ確実な検出の
ため、基準物体（段階Ｅ．３）及び測定すべき物体（段
階Ｂ）を、送信器及び受信器から所定のなるべく同じ間
隔をおいて設けるのが有利である。これにより万一の周
囲の影響も最小にされる。

【００１８】好ましい実施形態では、交流電界が１〜１
０ｋＨｚの周波数を持つ脈動正弦信号により発生される
と、有利なことがわかった。比較的小さい容量の検出の
際、高周波数信号を使用し、又はその逆にすると有利で
ある。生きている物体を測定するため、３ｋＨｚの周波
数が有利なことがわかった。

【００１９】好ましい実施形態では、正弦信号が１周期
に構成され、１〜３０Ｈｚなるべく１０Ｈｚの周波数で
送信される。１周期の正弦信号の送出は、これにより異
なる信号の万一の重畳を防止でき、正弦信号の万一の後
振動を測定できるという利点を持っている。

【００２０】別の有利な実施形態では、特に抵抗を介し
て電圧降下の測定（段階Ｂ）により、又は電流の測定に
より、又は電流密度の測定により、電界が測定される。
これらの測定方法はすべて確実かつ安価に実現可能であ
る。

【００２１】別の好ましい実施形態では、検出器が、信
号波の重要な点である所定の時点例えば零通過点、振幅
又は最大勾配を持つ点に、測定値を検出する。これによ
り検出すべき測定値の数を減少することができる。なぜ
ならば、若干の使用事例では、振幅についての情報しか
必要ないからである。なぜならば、位相ずれを求めるた
めに、正弦信号のそのつどの零通過点についての情報し
か必要でなく、僅かの重要な測定値から信号波の経過を
求めることができるからである。

【００２２】特に好ましい実施形態では、交流電界が導
電性媒体中に形成される。その際この交流電界を水中又
はイオン化されたガス中で形成するのが非常に有利なこ
とがわかった。この水は蒸留水でなく、むしろナトリウ
ムウ、塩素等を混合された水であるのが有利である。こ
のようにナトリウムを混合された水（海水）又は塩素を
混合させた水（水道の水）は、交流電界を有利に導くの
で、これにより非常に精確な測定結果を得ることができ
る。

【００２３】この課題の別の技術的解決策として、本発
明によれば、交流電界を形成しかつ送信器及び受信器を
持つ電源、電界を測定する検出器及び評価装置を持ち、
検出器が固有の電界を検出するように、この検出器が検
出装置に設けられていることが提案される。

【００２４】この技術的教示により構成される装置は、
固有の交流電界の測定によって、外部の装置への関係を
持たない能動動作原理が与えられるという利点を持って
いる。従ってこの測定原理により、外部の装置の欠陥及
び不精確さが最初から防止される。別の利点は、固有の
交流電界の測定により、送信器及び検出器を互いに比較
的近くに設けることができ、それにより周囲による別の
影響及び障害を防止できることである。

【００２５】更に別の利点は、このような装置を安価に
かつ非常に小さく構成できることである。なぜならば、
及ぶべき距離が小さいため、交流電界を比較的弱くかつ
小さく構成できるからである。

【００２６】このような装置における電界の送信及び測
定の別の利点は、これにより装置の校正が使用前及び使
用中に可能であり、それにより障害の影響を確実に除去
できることである。

【００２７】好ましい実施形態では、検出器が電源に電
気接続されているので、検出器が同時に交流電界の受信
器としても機能する。これにより付加的な受信器が不要
になり、その結果交流電界の精確な測定及び装置の一層
安価な製造が可能になる。

【００２８】別の好ましい実施形態では、検出器が抵抗
及び電圧降下を測定する装置を含んでいる。これは、そ
れにより信頼性のある検出器を安価に提供できるという
利点を持っている。

【００２９】別の好ましい実施形態では、電気力線がで
きるだけ直角に検出器へ当たるように、電界が方向づけ
られ、それにより高い測定精度及び少ない故障可能性が
得られる。

【００３０】更に別の好ましい実施形態では、物体が送
信器と検出器との間を通って動くことができるように、
これらの送信器及び検出器が設けられている。これによ
り物体が精確に交流電界の中央へもたらされ、この中央
では信号が最も強く、電気力線がほぼ平行に延びている
ので、これにより非常に精確な測定が可能になる。

【００３１】本発明による方法及び本発明による装置の
それ以外の利点は、添付図面及び以下に説明される実施
例から明らかになる。前述した特徴及び後述する特徴
は、本発明によれば、個々に又は任意の組合わせで使用
することができる。前述した実施形態は、最終的な列挙
と解されるべきではなく、むしろ例示的な性格を持って
いる。

【００３２】

【実施例】図１には、本発明による物体又はその材料性
質の無接触検出装置が概略的に示されている。この装置
は送信器１０及び受信器１２を含み、これらの間に交流
電界１４が形成され、ここではその電気力線１６により
示されている。送信器１０及び受信器１２は電源１８に
接続され、受信器１２と電源１８との間に検出器２０が
設けられている。この検出器２０は抵抗２２、論理素子
２４（トリガ）及び電圧計２８を含んでいる。論理素子
２４の後には、電子データ処理装置で援助される評価装
置２８が接続され、ここで求められる情報をここには図
示してない適当なデータ出力装置へ伝送する。この実施
例では、物体３０が送信器１０と受信器１２との間を通
して動かされることができるように、これらの送信器１
０及び受信器１２が設けられている。

【００３３】図３及び４には、物体を無接触で検出する
棒状の装置が示され、図３に示す実施例は円錐状の先端
を持ち、図４に示す実施例は平らな先端を持っている。
この棒状の装置の内部には、個々の電子部品が設けら
れ、評価装置は外部に設けられている。

【００３４】図５には、本発明による装置の実施例が示
され、物体３０が送信器１０と受信器１２との間を通し
て動かされることができるように、これらの送信器１０
及び受信器１２が互いに離れて設けられている。このよ
うな配置は例えばコンベア等において有利である。

【００３５】図６〜９には、種々の測定及び評価方法を
説明する種々の流れ図が示されている。特別な使用事例
では、ここにあげたこれらの評価方法の組合わせも可能
なことは明らかである。

【００３６】物体又はその材料性質を無接触で検出する
方法は、次の段階を含んでいる。 Ａ なるべく３ｋＨｚの周波数を持つ１周期の
脈動正弦信号の送信により、送信器１０と受信器１２と
の間に交流電界を形成する。後の時点にこの１周期正弦
信号を反復することができ、この場合１０Ｈｚの周波数
が有利なことがわかった。この１周期正弦信号により、
万一の後振動も検出して評価することができる。 Ｅ．１ 送信器１０から送信された正弦信号が基準
信号として記憶され、振幅及び位相のほかに、時間につ
いて正弦信号の経過も記憶される。 Ｅ．２ 物体の不存在下で交流電界が測定され、こ
の場合検出された測定値が基準信号として記憶される。 Ｂ． 検出器により交流電界が測定され、抵抗に
かかる電圧降下が測定される。その際１周期正弦信号が
複数の時点ｔ_１，ｔ_２．．．．に測定され、各測定時点
ｔ_１，ｔ_２．．．．は正弦信号の特徴のある隅点例えば
零通過点、振幅等を示す。これについての詳細は図２の
（ａ）〜（ｃ）からわかる。 Ｃ 検出された測定値の評価が、検査すべき性
質に応じて行われる。例えば生きているか又は前に生き
ていた物体は主として容量性性質を持ち、この容量性性
質は、時間についての信号波の経過の相違又は位相の相
違により確認することができる。例えば測定装置の近く
における生物についての情報が望まれる時、このような
検出方法が使用される。例えば金属物体は主として抵抗
性性質を持ち、この抵抗性性質は振幅の変化を介して検
出することができる。従って金属物体の存在を検出する
ため、抵抗性性質を検出する。両方の測定方法を互いに
組み合わせることによって、容量性及び抵抗性性質の検
出の組合わせも可能である。このため評価装置に適当な
論理問合わせ素子を設けさえすればよい。 Ｃ．１．１ 検出された測定値から例えば補間法により
信号波の経過が求められる Ｃ．１．２ 信号のこの求められた経過が基準信号と比
較され、その相違が容量性性質を持つ物体の存在を推論
させる。種々の物体について、相違の種類及び大きさの
ついての情報が存在する場合、材料の種類及び場合によ
っては物体の大きさの更に続く推論も行うことができ
る。 Ｃ．２．１ 種々の時点ｔ_１，ｔ_２．．．．に求められ
た測定値から、それぞれの振幅の測定値例えば時点ｔ_１
及びｔ_４における測定値が除去される。 Ｃ．２．２ 求められた最大振幅が基準信号のそれぞれ
最大振幅と比較され、振幅の相違が抵抗性性質を持つ物
体を推論させる。相違のための比較値が存在する場合、
ここで材料の種類の推論も行うことができる。しかしこ
の場合物体と受信器との間隔を評価に関係させると有利
である。なぜならば、振幅の相違は受信器と物体との間
隔の程度も表わすからである。 Ｃ．３．１ 測定値から検出された信号波の位相を求
め、特に検出された信号波の零通過点を求める。 Ｃ．３．２ この位相特に零通過点と基準信号とを比較
してその際位相特に零通過点の相違が、抵抗性性質を持
つ物体の存在を推論させる。この場合も相違の大きさを
介して、比較値が存在すると、材料の種類についての情
報をえることができる。

【００３７】これらの評価方法の組合わせも可能なこと
は明らかである。なぜならば、容量性及び抵抗性性質を
持つ物体も存在するからである。

【００３８】図６〜８に示す方法により、物体の存在及
び場合によっては物体の材料の種類が推論される。次に
図９に記載される方法において、材料欠陥を知ることが
できる。 Ｅ．３ 交流電界へ基準物体が入れられ、続いて交
流電界が測定される。この場合検出された測定値は基準
信号として記憶される。 Ｃ ここで評価が例えば（Ｃ．２．１及びＣ．
２．２のように）検出された振幅について行われるが、
位相ずれ（Ｃ．３．１及びＣ．３．２）についての評価
も可能である。こうして１度測定された基準物体を介し
て、基準物体の抵抗性性質についての情報が存在する。
これらのデータはいわゆる理想の場合を形成する。次に
検査すべき物体が測定される。さて次の物体において振
幅の相違が現われると、確かにこの原因は、例えばひび
割れ、空隙又は材料不純物のような材料欠陥にある。

【００３９】すべての測定方法にとって、導電性周囲例
えば塩素含有水、塩含有水等に交流電界を形成するのが
有利である。なぜならば、これにより電界の有利な伝達
が保証されるからである。

【００４０】ここに説明した方法は、更に、物体の存在
及び材料性質を物体の形状及び大きさに関係なく求める
ことができるという利点を持っている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の概略構成図である。

【図２】（ａ）は基準信号の時間的経過を示す図、
（ｂ）は求められた信号波の時間的経過を示す図、
（ｅ）は（ｂ）により求められた信号波と（ａ）による
基準信号との相違を示す図である。

【図３】本発明による装置の第１実施例の側面図であ
る。

【図４】本発明による装置の第２実施例の側面図であ
る。

【図５】本発明による装置の第３実施例の平面図であ
る。

【図６】物体を無接触で検出する第１の方法の流れ図で
ある。

【図７】物体を無接触で検出する第２の方法の流れ図で
ある。

【図８】物体を無接触で検出する第３の方法の流れ図で
ある。

【図９】物体を無接触で検出する第４の方法の流れ図で
ある。

【符号の説明】

１０ 送信器 １２ 受信器 １４ 交流電界 ２０ 検出器 ２８ 評価装置 ３０ 物体

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体又はその材料性質の無接触検出方法
   であって、次の段階、即ち Ａ． 送信器と受信器との間に交流電界を形成
   し、 Ｂ． 検出器により電界を測定し、 Ｃ． 検出された測定値を、次の段階を持つ評価
   方法により評価し、 Ｃ．１．１ 検出された測定値から信号波の経過を求
   め、 Ｃ．１．２ 求められた信号波の時間的経過を基準信号
   の時間的経過と比較するか、又は Ｃ．２．１ 検出された測定値から最大振幅を求め、 Ｃ．２．２ 求められた最大振幅を基準信号の最大振幅
   と比較するか、又は Ｃ．３．１ 検出された測定値から位相を求め、 Ｃ．３．２ 求められた位相を基準信号の位相と比較
   し、 Ｄ． 比較を評価する ことを特徴とする、物体又はその材料性質の無接触検出
   方法。
2. 【請求項２】 段階Ｄにおける評価を次のように行う、
   即ち信号波の経過が相違しているか、又は検出された測
   定値の位相が基準信号と相違していると、容量性質を持
   つ物体が存在し、 検出された測定値の最大振幅が基準信号と相違している
   と、抵抗性性質を持つ物体が存在するものと評価するこ
   とを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 相違の種類及び大きさを、材料を確認す
   ることができる基準データと比較することを特徴とす
   る、請求項１又は２に記載の方法。
4. 【請求項４】 次の付加的な段階即ち Ｅ．１ 送信された信号を基準信号として記憶する ことを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の方法。
5. 【請求項５】 次の付加的な段階即ち Ｅ．２ 物体の不存在下において検出された測定値
   を基準信号として記憶することを特徴とする、請求項１
   〜３の１つに記載の方法。
6. 【請求項６】 次の付加的な段階即ち Ｆ． 後の物体測定後に段階Ｅ．２を反復するこ
   とを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 次の付加的な段階即ち Ｅ．３ 基準物体の存在下で交流電界を測定し、検
   出された測定値を基準信号として記憶することを特徴と
   する、請求項１〜６の１つに記載の方法。
8. 【請求項８】 検出器が測定値を所定の時点ｔ_１，
   ｔ_２．．．．に検出し、これらの時点ｔ_１，
   ｔ_２．．．．を信号波に関係して規定することを特徴と
   する、請求項１〜７の１つに記載の方法。
9. 【請求項９】 物体又はその材料性質の無接触検出装置
   において、交流電界を形成しかつ送信器及び受信器を持
   つ電源、電界を測定する検出器及び評価装置を持ち、検
   出器が固有の電界を検出するように、この検出器が検出
   装置に設けられていることを特徴とする、物体又はその
   材料性質の無接触検出装置。
10. 【請求項１０】 検出器が同時に電界の受信器として使
    用されることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 【請求項１１】 検出器が電源に電気接続されているこ
    とを特徴とする、請求項９又は１０に記載の装置。
12. 【請求項１２】 電気力線ができるだけ直角に検出器へ
    当たるように、電界が方向づけられていることを特徴と
    する、請求項９〜１１の１つに記載の装置。
13. 【請求項１３】 物体が送信器と検出器との間を通って
    動くことができるように、これらの送信器及び検出器が
    設けられていることを特徴とする、請求項９〜１２の１
    つに記載の装置。