JP2006513429A - 静電センサ - Google Patents

Abstract

センサ（１０）は、それぞれの感知位置（１４）を中心とする静電センサ素子（１２）の配列を備える。各素子はそれぞれの出力信号を１６に生成する。出力（１６）は表示装置のそれぞれのピクセルを駆動するのに用いられる。これにより、センサが向けられた領域における帯電分布を表す画像が生成される。

Description

本発明は、静電センサに関する。
静電センサは、測定されている静電荷から発する力線の電極に対する影響を主に測定することによって静電荷を測定するのに使用される。感知電極はアースされたシールドと関連付けられ、感知されている電荷の大きさに依存した出力を提供する。特に、センサ出力は、通常、電極の感知面の前面での電荷の大きさに比例し、感知面の面に沿う重み付けされた平均として測定される。また、感度は感知面の面積とアースされたシールドの近さとに関係する。センサが応答する視野は、例えば、アースされたシールドの形状を修正することにより、又は、センサを当該対象物に対して近づけ又は遠ざけることによって修正され得る。特定の時点においてセンサによって行われる測定は当該時点でのセンサの見解を表すことになる。移動対象物の場合、一連のこうした測定は観察されているシステムの一層完全な理解を与えるが、この手法は特に高速移動システム又は迅速に変化するシステムに対して問題を生じ得る。

本発明は、静電センサ素子の配列を備えるセンサを提供する。それぞれのセンサ素子は感知されている対象物の領域に前記センサが向けられると各出力信号を生成する。この出力信号は前記領域における帯電分布に関係する情報を提供するよう、センサ出力において利用可能である。

センサ素子は、位置の実質的な正則行列によって定義される感知位置に配置される。センサ素子は、実質に連続的な電荷分布情報を提供するよう、配列において実質的に連続していることが好ましい。

センサ素子は実質的に平面の配列を形成することができる。代わりに、センサ素子は非平面の配列を形成してもよい。非平面配列の形状とは、対象物の所定の領域の面に実質的に適合するような面である。配列は球又は球の一部をなし、センサ素子は球の外側を感知するよう配列される。各センサ素子は電荷増幅器を内蔵することが好ましい。

また、センサは、使用の際、好ましくは各出力信号が個別に識別され得る方法で、出力信号を表示する表示手段を備えることができる。表示手段は複数のピクセルを有する画像を提供することができる。各ピクセルは各出力信号に応答して表示を行うことが好ましい。代わりに、表示手段はセンサ素子の数よりもずっと多くのピクセルを備えることができ、少なくとも幾つかのピクセル出力は隣接のピクセルに対応するセンサ素子に関して生成される。ピクセルは対応するセンサ素子と同じように配置された配列を形成する。使用の際、各ピクセルの表示強度は、対応するセンサ素子によって感知された電荷の大きさ又は極性によって決められる。代わりに又はさらに、各ピクセルの表示色は、対応するセンサ素子によって感知された電荷の大きさ又は極性によって、使用の際に決定される。

表示手段及び素子の配列は共通の構造に組み込まれることが好ましい。各センサ素子はセンサ表示画像のピクセルを提供する表示素子を組み込むことができる。
ここで、本発明の例を、添付の図面を参照しながら一層詳細に且つ単なる例として説明する。

図１は、静電荷センサ素子１２の配列を備えるセンサ１０を示している。この例においては、配列はセンサ素子１２の２次元配列であり、各素子はそれぞれの感知位置１４（図１では小さなｘで示されている）を中心としており、感知位置１４は矩形マトリクスとして図示された、位置の正則行列を形成する。

各センサ素子１２は、感知される対象物の領域にセンサが向けられると、それぞれの出力信号を生成することができる（これについては後述する）。出力信号は出力１６においてセンサ素子１２によって提供される。

図１では９個示されている出力１６は一体としてセンサ１０の出力を形成し、図１から明らかなように、各センサ素子１２からの出力信号はセンサ出力において個別に利用可能である。つまり、個々のセンサ素子１２の出力が利用可能である。各センサ素子１２は異なる位置にあり、被感知対象物をそれぞれに感知する。例えば、被感知領域内の僅かに異なる場所を感知する。したがって、個々の出力１６を考慮することにより、配列において感知される静電荷に関係する情報、したがって、センサが向けられている領域における帯電分布に関係する情報が提供される。

図２に、単一のセンサ素子１２が一層詳細に図示されている。センサ素子１２はアースされたチューブの形をしたシールド２０によって周りを囲まれた中心電極１８を有する。チューブ２０は２２においてアースされる。電極１８とチューブ２０は電気的絶縁材料２４によって分離される。

概略的に２６で示される静電荷の存在によって、電極１８及びチューブ２０と相互作用してこれらを帯電させる力線を含む力線が生じる。誘導された電荷の大きさは、当業者には容易に理解されるように、電荷２６の幾何学的配置と大きさとに依存する。さらに、誘導された電荷の極性は２６における電荷の極性に依存する。

素子１２が感知に使用されると、電極１８とチューブ２０とに誘導される電荷は実際の多くの状況では小さい可能性が高いので、素子１２は図に２８で示すような電荷増幅器を内蔵する。素子１２内に電荷増幅器を内蔵することは好ましいことである。これにより、妨害信号やノイズを発生させ得る長い接続リード線の必要性を回避することができる。図２の例においては、素子１２はボード３０に取り付けられるものとして図示されているが、その理由は明らかであろう。

図３は、素子１２からの出力を利用するための単純な構成例を示している。図３において、センサ素子１２Ａはセンサ１０Ａを形成する。素子１２Ａの出力１６Ａはそれぞれ信号処理装置３２に接続され、信号処理装置３２は出力１６Ａからの情報を接続３６に沿って表示装置３４へ伝える。接続３６の形状及び接続線３６に沿って情報を伝える方法は広範な技術及び装置の中から選択可能であるが、どの技術及び装置が選択されようとも、表示装置３４は個々の出力１６Ａと関係する情報を受け取らねばならない、すなわち再生することができる。次いで、これらの信号は表示装置３４のピクセル３８を活性化するのに使用される。この例においては、ピクセル３８はセンサ素子１２Ａと同じように且つ同じ数だけ配列されるが、これは多くの場合望ましい。この配置により、それぞれの出力１６Ａを、この出力１６Ａが導き出された素子１２Ａのセンサ１０Ａでの位置と対応する表示装置３４での位置における単一のそれぞれのピクセル３８に印加することができる。したがって、ピクセル３８は、出力１６Ａを表す画像であってセンサ１０Ａが向けられた対象物の領域における、素子１２Ａによって感知された帯電分布を表す画像を視認可能な形で提供する。センサ素子１２Ａの配列を設けるようにしたので、この画像は素子１２Ａの配列全体において同時に生成されることになり、その結果の画像は単一の時点における領域の帯電分布を表示する。

代わりに、素子１２Ａの数よりもずっと多くのピクセル３８が存在してもよい。次いで補間、「ディザリング」、その他の技術により、隣接するピクセルを参照することによって、表示装置の中間の点が作られる。

図３は出力１６Ａを用いて表示装置３４上に可視の画像を提供することを描いているが、接続３６を用いて対応の情報をデータ処理システムに運んで分析させることもできることを理解すべきである。その場合、実際の画像が作られ又は観察される訳ではないが、データ処理装置は当該情報を完全な画像の表示とみなすよう構成され得る。

図３から理解できるように、素子１２Ａの正方形領域は実質的に近接しているので、センサ素子１２Ａの領域は実質的にセンサ１０Ａの全領域をカバーしている。連続するセンサ素子１２Ａの多くの代替の配置を考えることができる。状況によっては、センサ素子１２Ａを近接させる必要はないこともある。

図４は、六角形の近接するセンサ素子１２Bがセンサ１０Ｂを形成するよう配列された代替の配置を示している。それぞれの素子１２Ｂは六角形のシールド・チューブ２０Ｂを備え、該チューブは電極１８Ｂ及び絶縁材料２４Ｂの前面から前方へ突出している。この前方への突出により、素子１２Ｂは素子１２Ｂの前方で直接に静電荷によって一層強く影響される。素子１２Ｂの視野は主に前方に向けられている。つまり、素子１２Ｂの各配列は感知される領域内で異なる位置において主に観察を行うので、素子１２Ｂからの出力は当該領域における帯電分布に関係する情報を提供する。図４のセンサは、図３に関連して上で説明した方法で表示装置又はデータ処理装置に接続され得る。

図２に戻って、センサ素子１２は例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）又は他の同様の素子である表示素子４０を組み込むように描かれている。素子４０は、素子１２と関連する電荷増幅器２８又は他の単一の処理回路によって駆動されてセンサ素子１２Ａの出力を表す可視表示を生成する。したがって、本発明は、それぞれ表示素子４０と共にセンサ素子１２の配列を共通の基板又はボード３０に取り付けることを想定しているので、素子１２を載せたボード３０の面は感知目標の方を向いており、その結果、素子４０の配列においては、ボード３０の他方の面において、センサ素子１２が面する領域における帯電分布を表す可視画像を生成することができる。想定されるように、この配置は、携帯装置又は運搬の容易な装置の基礎となり得るので、通常は見ることができない帯電分布を表す可視画像をオペレータに提供することができる。

とりわけ、任意の表示配置において、表示素子又はピクセルの輝度は対応の表示素子によって感知される電荷の大きさと関係付けられ、白黒写真を連想させる画像を生じる。さらに、電荷の極性も視認可能に表示されることが望ましい。これは、正電荷と負電荷とに別の色を用いることにより、例えば、２色又は３色のＬＥＤを用いることによって達成される。

図５は、例えば検査のためにベアリング４２と共に使用される、上で説明した形式の一つであるセンサ１０Ｃの単純且つ概略的な形を示している。センサ１０Ｃのセンサ素子の出力は、図２の素子４０のような表示素子を駆動するのに用いられ、又は、観察又はデータ処理のために情報が遠隔地点へ運ばれる。配列の使用により、ベアリング４２内の多くの場所を同時に監視することができるようになり、これによって、ベアリング４２内の転動体等の異なるコンポーネント間の区別が容易になり、一つのコンポーネントが他のコンポーネントよりも損耗が激しいかどうかを示し、又は、特定の素子内でのパーツ間の損耗の度合いを示すことができるようになる。

上に示した全部の例においては、センサは一般的に平面状の配列の形をしている。しかし、種々の目的で、平面でない配列を構成することができる。特に、対象物の所定の領域の面に実質的に適合する非平面状の配列を形成することには多くの利点があるものと考えられる。図６は、センサ素子が円筒の一部をなすよう配列された形状のセンサ１０Ｄによって円形パイプ４４を部分的に覆う例を示している。センサ素子の詳細、その出力及び下流側の回路については簡単化のために図示されていない。図６の構成から容易に理解されるように、適宜の半径を持つセンサ１０Ｄを設けることにより、センサ１０Ｄの各素子をパイプ４４から実質的に等距離に保ちながら、パイプ４４の周囲にセンサ１０Ｄを配置することができる。これにより、各センサ素子は常に比較可能な測定を行うことができるので、パイプ４４の領域における帯電分布に関係する情報を一貫して収集することができる。

図６の例においては、センサ素子はセンサ１０Ｄの曲面の内側で感知を行うよう配置される。代わりに、図７に極度に単純化して示すように、センサ素子は外側を向くように配置され得る。図７の配置において、センサ素子１２Ｅの配列によって形成されたセンサ１０Ｅは、センサ１０Ｅの外側の帯電分布を感知するよう位置された球又は球の一部の形状をしている。つまり、センサ１０Ｅからデータを抽出するための適宜の接続３６Ｅを設けることにより、センサ１０Ｅはキャビティ４６内で使用してキャビティ４６の内側の検査をすることができる。この形式のセンサはハエの眼と同様の広角の視野を生じる。

明らかなように、本発明の範囲を逸脱することなく、上述の装置に対して多くの修正及び変形を加えることができる。特に、センサその大きさ及び間隔並びにセンサの形状の変化を含む、センサ配列の多くの異なる構成を想到することができる。こうした可能性の全部は、多重測定を同時に行い、次いで、単に測定データを提供するのではなく、感知対象の静電界をオペレータが視認することを許容する非接触測定技術を提供する。

上述の形式のセンサについては広範な応用分野を想定することができ、以下のものを含む。
医療画像形成：
幾つかの証拠によると、人体から取られた静電界測定を用いて医療診断を行うことが示唆されている。本発明にしたがって組み込まれたセンサは医師が静電界の画像を瞬時に見ることを可能にし、携帯装置は診査的診断の目的で人体において容易に走査を行う。皮膚において又は皮膚下において帯電を測定する可能性に加えて、関節の静電的観察は、Ｘ線画像形成を補助することで、放射に伴う健康問題を除去するために使用し、また、関節炎のような問題や人工関節に関係する組織を観察するにも使用可能である。

地球物理学：
本発明に係るセンサは、土壌の極粒子含有量の測定値を提供する土壌学及び考古学内で使用され得る。この含有量は土壌の条件及び履歴によって影響される。例えば、一般に、乱された土壌の方が乱されていない土壌よりも多くの間隙容量を有するので、大きな地下水含有量を有する傾向にある。したがって、本発明に係るセンサによって生成された画像は、乱された土壌である可能性のある領域を指示するものとして解釈されるが、これは考古学的研究又は土壌学の種々の観点にとって重要である。加えて、こうした配置は、物品がその埋められている土壌とは異なる電荷状態を生成又は維持する材料からなるならば、土壌に埋められた物品を検出することができる。任意の特定の応用に対するセンサの感度及び距離を含む適性は、センサの設計の詳細や、土壌及び測定対象物品の静電特性に依存する。

ロボティックス：
本発明に係るセンサを、光によらずに静電環境を観察するロボット機械の視力をエミュレートするのに用いることが考えられる。本発明のこの見方は、機械を暗闇又はそれに近い暗さの中で働かせなければならない状況に応用分野を見出す。例えば、写真材料のロボットによる処理は容易になろう。

工学：
工学的コンポーネントの定常的な歪みや疲労は、図５に関係して上で説明したように、帯電分布に変化を生じる。つまり、本発明のセンサによって取得した画像は、この性質の問題、例えば、コンポーネントの摩耗又は切迫した故障を識別するのを支援することになる。例えば、滑りを検出する目的で鉄道の車輪や軌道を監視することができる。

多くの他の状況においては、例えばスプライン間やギヤ間に腐食が生じ得る。これによって、スプラインの端部での電荷やスプライン対の内側及び外側での誘導電荷のような電荷が生成される。ギヤ内では、ギヤ内の帯電分布はギヤの疲労の状況に依存する。いずれにしても、本発明の配列により、この電荷分布の測定及び観察が可能になり、ギヤの動作中であっても疲労個所を識別することが可能である。

内燃機関、ガス・タービン・エンジンその他の機械内の多くの場所は腐食、摩耗及び疲労を受けやすい。本発明のセンサは、こうしたコンポーネントの非接触測定のために用いられ、摩耗や差し迫った摩耗又は故障の測定、観察及び予測を可能にする。

破片の監視：
流体及び小破片が流れているパイプの周囲に分布されたセンサ配列により、破片の流速、小破片のサイズ及び全破片体積の測定が可能になる。

一般論：
適切なデータ処理により、本発明のセンサの出力は、コンベア・ベルト又は組み立てライン上の対象物等の対象物や特定の点を通過する人間の検出又は計数に用いることができる。センサは半導体組み立て室のような静電的に敏感な領域を走査するのに用いることができる。従来は、許容できない半導体故障率が静電気源の結果として生じた場合には、シングル・ポイント検出器を用いて当該領域を走査していた。本発明のセンサを導入すると、該当区域を表し且つ不当な静電気源の存在と場所を容易に決定することができる連続的な静電画像を提供することができる。

これまでの記述は、特に重要と思われる発明の特徴に注意を引くよう努めたものであったが、理解されるように、出願人は、強調の有無にかかわらず、これまで記述し及び／又は図面に示した任意の特許され得る特徴及びその組み合わせに関して保護を求めるものである。

本発明に係る第１のセンサの概略図である。 図１の配置のセンサ素子を通る概略的な断面図である。 本発明に係る配列の使用態様を示す図である。 本発明に係る代替のセンサ設計の一部の単純化された詳細斜視図である。 本発明に係るセンサの代替の応用分野の極めて概略的な図である。 本発明に係るセンサの代替の応用分野の極めて概略的な図である。 本発明に係るセンサの代替の応用分野の極めて概略的な図である。

Claims (18)

1. 静電センサ素子（１２）の配列を備えたセンサ（１０）であって、
   前記センサが感知対象物の領域に向けられたとき、それぞれの前記静電センサ素子が出力信号（１６）を生成することができ、
   前記出力信号（１６）がセンサ出力において個別に利用可能であり、前記領域における帯電分布に関係する情報を提供するセンサ（１０）。
2. 前記静電センサ素子（１２）が、実質的に位置の正則行列によって規定される感知位置（１４）に位置する、請求項１に記載のセンサ（１０）。
3. 前記静電センサ素子（１２）が、前記配列（１２）にわたって実質的に連続であり、実質的に連続的な帯電分布情報を提供する、請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
4. 前記静電センサ素子（１２）が実質的に平面状の配列を形成する、請求項１〜３のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
5. 前記静電センサ素子（１２）が非平面状の配列を形成する、請求項１〜３のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
6. 前記非平面状の配列が、対象物（４４）の所定の領域の面に実質的に適合する、請求項５に記載のセンサ（１０）。
7. 前記配列が球又は球の一部をなし、前記静電センサ素子（１２）が前記球の外側を感知するよう配列される、請求項５又は６に記載のセンサ（１０）。
8. それぞれの前記静電センサ素子がそれぞれの電荷増幅器を内蔵する、請求項１〜７のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
9. 前記出力信号を表示する表示手段（３４）を更に備える、請求項１〜８のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
10. それぞれの前記出力信号が個別に識別されるように、前記出力信号が表示される、請求項９に記載のセンサ（１０）。
11. 前記表示手段（３４）が複数のピクセル（３８）を持つ画像を提供するよう動作する、請求項９又は１０に記載のセンサ（１０）。
12. それぞれの前記ピクセル（３８）がそれぞれの出力信号に応答して表示される、請求項１１に記載のセンサ（１０）。
13. 前記表示手段が前記静電センサ素子（１２）よりも多いピクセルを有し、少なくとも幾つかのピクセル出力が、隣接のピクセルに対応するセンサ素子に関して生成される、請求項１１に記載のセンサ（１０）。
14. 前記ピクセル（３８）が、対応のセンサ素子（１２）と同じように配置された配列を形成する、請求項１１〜１３のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
15. ぞれぞれの前記ピクセルの表示輝度が、前記又は対応の静電センサ素子（１２）によって感知された電荷の大きさ又は極性によって決定される、請求項１１〜１４のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
16. それぞれの前記ピクセルの表示色が、前記又は対応の静電センサ素子（１２）によって感知された電荷の大きさ又は極性によって決定される、請求項１１〜１５のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
17. 前記表示手段（３４）及び素子の前記配列が共通の構造内に組み込まれる、請求項９〜１６のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
18. それぞれの前記静電センサ素子が、センサ表示画像のピクセル（３８）を提供する表示素子を組み込んでいる、請求項１７に記載のセンサ（１０）。

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