JP2013205179A - 導電体センサ及び導電体の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】手前に導電性膜が配置された導電体の位置を特定可能なセンサを提供する。
【解決手段】磁界放射器１と、磁界放射器から導電体までの距離と、磁界放射器のインダクタンスと、の関係を保存する関係記憶装置４０１と、関係と、手前に導電性膜３が配置された測定対象導電体２に向けて磁界放射器１が磁界を放射した場合の磁界放射器１のインダクタンスの測定値と、に基づいて、磁界放射器１から測定対象導電体２までの距離Ｄを特定する特定部３０１と、を備える、導電体センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は検出技術に係り、導電体センサ及び導電体の検出方法に関する。

コイルで磁界を励磁し、金属等からなる導電体に磁界を照射すると、導電体に渦電流が生じる。ここで、電磁誘導作用により、コイルと、導電体と、の距離を変化させると、コイルのクオリティファクタの値（以下において、「Ｑ値」あるいは「Ｑの値」などという。）も変化する。したがって、コイルから導電体までの距離と、コイルのＱ値と、の関係を予め取得しておけば、測定対象導電体に磁界を照射した際のコイルのＱの測定値から、コイルから測定対象導電体までの距離を算出することが可能である（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−１６４４７２号公報

しかし、導電体の手前に導電性膜が配置されている場合、コイルから磁界を励磁すると、導電性膜と、導電体と、の両方に渦電流が生じる。そのため、導電体の位置を正確に検出できないという問題がある。そこで、本発明は、手前に導電性膜が配置された導電体の位置を特定可能な導電体センサ及び導電体の検出方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様によれば、（ａ）磁界放射器と、（ｂ）磁界放射器から導電体までの距離と、磁界放射器のインダクタンスと、の関係を保存する関係記憶装置と、（ｃ）関係と、手前に導電性膜が配置された測定対象導電体に向けて磁界放射器が磁界を放射した場合の磁界放射器のインダクタンスの測定値と、に基づいて、磁界放射器から測定対象導電体までの距離を特定する特定部と、を備える、導電体センサが提供される。

また、本発明の態様によれば、（ａ）磁界放射器から導電体までの距離と、磁界放射器のインダクタンスと、の関係を用意することと、（ｂ）手前に導電性膜が配置された測定対象導電体に向けて磁界放射器から磁界を放射し、磁界放射器のインダクタンスの値を測定することと、（ｃ）関係と、インダクタンスの測定値と、に基づいて、磁界放射器から測定対象導電体までの距離を特定することと、を含む、導電体の検出方法が提供される。

本発明によれば、手前に導電性膜が配置された導電体の位置を特定可能な導電体センサ及び導電体の検出方法を提供可能である。

本発明の実施の形態に係る導電体センサの第１の模式図である。 本発明の実施の形態に係る導電体センサの第２の模式図である。 本発明の実施の形態に係る周波数１００ｋＨｚの磁界を照射した場合の、背後に導電体が配置されていない導電性膜の厚さと、コイルの抵抗値と、の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数５０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、背後に導電体が配置されていない導電性膜の厚さと、コイルの抵抗値と、の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数１０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、背後に導電体が配置されていない導電性膜の厚さと、コイルの抵抗値と、の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数１００ｋＨｚの磁界を照射した場合の、背後に導電体が配置されていない導電性膜の厚さと、コイルのＱ値と、の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数５０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、背後に導電体が配置されていない導電性膜の厚さと、コイルのＱ値と、の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数１０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、背後に導電体が配置されていない導電性膜の厚さと、コイルのＱ値と、の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数１００ｋＨｚの磁界を照射した場合の、背後に導電体が配置されていない導電性膜の厚さと、コイルのインダクタンスの値と、の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数５０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、背後に導電体が配置されていない導電性膜の厚さと、コイルのインダクタンスの値と、の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る周波数１０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、背後に導電体が配置されていない導電性膜の厚さと、コイルのインダクタンスの値と、の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る導電体センサの第３の模式図である。 本発明の実施の形態に係る、手前に導電性膜が配置されている導電体に周波数５０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、コイルから導電体までの距離と、コイルの抵抗値と、の関係を、導電性膜の厚さ毎に示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る、手前に導電性膜が配置されている導電体に周波数１０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、コイルから導電体までの距離と、コイルの抵抗値と、の関係を、導電性膜の厚さ毎に示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る、手前に導電性膜が配置されている導電体に周波数５０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、コイルから導電体までの距離と、コイルのＱ値と、の関係を、導電性膜の厚さ毎に示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る、手前に導電性膜が配置されている導電体に周波数１０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、コイルから導電体までの距離と、コイルのＱ値と、の関係を、導電性膜の厚さ毎に示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る、手前に導電性膜が配置されている導電体に周波数５０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、コイルから導電体までの距離と、コイルのインダクタンスの値と、の関係を、導電性膜の厚さ毎に示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る、手前に導電性膜が配置されている導電体に周波数１０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、コイルから導電体までの距離と、コイルのインダクタンスの値と、の関係を、導電性膜の厚さ毎に示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る、手前に導電性膜が配置されていない導電体に周波数１０ｋＨｚの磁界を照射した場合の、コイルから導電体までの距離と、コイルのインダクタンスの値と、の関係を示すグラフである。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

実施の形態に係る導電体センサは、図１に示すように、磁界を放射する磁界放射器１と、磁界放射器１に接続された中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００と、を備える。ＣＰＵ３００には、磁界放射器から導電体までの距離と、磁界放射器のインダクタンスと、の関係を保存する関係記憶装置４０１が接続されている。ＣＰＵ３００は、関係記憶装置４０１に保存されている関係と、手前に導電性膜３が配置された測定対象導電体２に向けて磁界放射器１が磁界を放射した場合の磁界放射器１のインダクタンスの測定値と、に基づいて、磁界放射器１から測定対象導電体２までの距離Ｄ１を特定する特定部３０１を含む。

磁界放射器１は、コイル１１を有する。コイル１１は、例えばＬＣ発振回路の一部をなしている。コイル１１のＱ値は、ωを共振角周波数、Ｌをコイル１１の自己インダクタンス、Ｒをコイル１１の高周波抵抗として、下記（１）式で与えられる。
Q = ωL / R ・・・(1)

導電性膜３及び測定対象導電体２は、例えばアルミニウム、銅、又はこれらを支配的に含む合金等の非磁性体からなる。導電性膜３は、磁界放射器１が放射する磁界の表皮深さよりも充分薄い金属箔等である。また、測定対象導電体２は、例えば、磁界放射器１が放射する磁界の表皮深さよりも充分厚い板やローラ等の部材である。

ＬＣ発振回路の発振に伴い、コイル１１から導電性膜３及び測定対象導電体２に向かって、高周波交流磁界が形成され、導電性膜３及び測定対象導電体２のそれぞれに渦電流が発生する。渦電流による電気エネルギの損失は、コイル１１の見かけ上の高周波抵抗Ｒを増大させ、Ｑ値を低下させる。また、渦電流による電気エネルギの損失は、コイル１１から導電性膜３までの距離Ｄ２、及びコイル１１から測定対象導電体２までの距離Ｄ１に依存して変化する。したがって、Ｑ値も、コイル１１から導電性膜３までの距離Ｄ２、及びコイル１１から測定対象導電体２までの距離Ｄ１に依存して変化する。また、コイル１１の見かけ上の自己インダクタンス、高周波抵抗、又はインピーダンス等の特性、あるいはそれらに相関するＬＣ発振回路の発振、ＬＣ発振回路を流れる電流も、コイル１１から導電性膜３までの距離Ｄ２、及びコイル１１から測定対象導電体２までの距離Ｄ１に依存して変化する。

ここで、本発明者は、鋭意研究の末、コイル１１のインピーダンスの実部である高周波抵抗Ｒ及びＱ値は、導電性膜３の厚さの影響を強く受けるが、コイル１１のインピーダンスの虚部であるインダクタンスは、導電性膜３の厚さの影響を受けにくいことを見出した。例えば、図２に示すように、背後に導電体が配置されていない、アルミニウムからなる厚さが５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、又は５０μｍのサンプル導電性膜１３、あるいは不図示のアルミニウムからなる厚さ１０ｍｍのサンプル導電ブロックに向けて、コイル１１から周波数１００ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１１の抵抗値を測定した。すると、図３に示すように、厚さ２０μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が最も高くなり、厚さ１５μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が２番目に高くなり、厚さ５０μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が３番目に高くなり、厚さ１０μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が４番目に高くなり、厚さ５μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が５番目に高くなり、厚さ１０ｍｍのサンプル導電ブロックが配置されたときに抵抗値が最も低くなった。

また、背後に導電体が配置されていないサンプル導電性膜１３あるいはサンプル導電ブロックに向けて、コイル１１から周波数５０ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１１の抵抗値を測定した。すると、図４に示すように、厚さ５０μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が最も高くなり、厚さ２０μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が２番目に高くなり、厚さ１５μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が３番目に高くなり、厚さ１０μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が４番目に高くなり、厚さ５μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が５番目に高くなり、厚さ１０ｍｍのサンプル導電ブロックが配置されたときに抵抗値が最も低くなった。

さらに、背後に導電体が配置されていないサンプル導電性膜１３あるいはサンプル導電ブロックに向けて、コイル１１から周波数１０ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１１の抵抗値を測定した。すると、図５に示すように、厚さ５０μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が最も高くなり、厚さ１０ｍｍのサンプル導電ブロックが配置されたときに抵抗値が２番目に高くなり、厚さ２０μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が３番目に高くなり、厚さ１５μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が４番目に高くなり、厚さ１０μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が５番目に高くなり、厚さ５μｍのサンプル導電性膜１３が配置されたときに抵抗値が最も低くなった。

以上示したように、コイル１１の抵抗値は、導電性膜の厚さが特定の値をとるときに、極大値をとる傾向にある。さらに、コイル１１の抵抗値の極大値を与える導電性膜の厚さも、磁界の周波数に応じて変化する傾向にある。

次に、背後に導電体が配置されていないサンプル導電性膜１３あるいはサンプル導電ブロックに向けて、コイル１１から同様の周波数の磁界を放射し、コイル１１のＱ値を測定した場合、コイル１１のＱ値は、抵抗Ｒの逆数（１／Ｒ）への依存度が高いので、図６、図７、及び図８に示すように、コイル１１のＱ値は、抵抗Ｒと同じように、導電性膜の厚さが特定の値をとるときに、極小値をとる傾向にある。さらに、コイル１１のＱ値の極小値を与える導電性膜の厚さは、磁界の周波数に応じて変化する傾向にある。

これに対し、背後に導電体が配置されていないサンプル導電性膜１３あるいはサンプル導電ブロックに向けて、コイル１１から周波数１００ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１１のインダクタンスの値を測定した。すると、図９に示すように、コイル１１のインダクタンスの値は、サンプル導電性膜１３の厚さが薄くなるほど高くなる傾向にあった。また、背後に導電体が配置されていないサンプル導電性膜１３あるいはサンプル導電ブロックに向けて、コイル１１から周波数５０ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１１のインダクタンスの値を測定した場合も、図１０に示すように、コイル１１のインダクタンスの値は、サンプル導電性膜１３の厚さが薄くなるほど高くなる傾向にあった。さらに、背後に導電体が配置されていないサンプル導電性膜１３あるいはサンプル導電ブロックに向けて、コイル１１から周波数１０ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１１のインダクタンスの値を測定した場合も、図１１に示すように、コイル１１のインダクタンスの値は、サンプル導電性膜１３の厚さが薄くなるほど高くなる傾向にあった。

以上示したように、コイル１１のインダクタンスの値は、磁界の周波数に関わらず、導電性膜の厚さが薄くなるほど高くなる傾向にある。さらに、導電性膜の厚さによるコイル１１のインダクタンスのばらつきは、磁界の周波数が低くなるほど抑制される傾向にある。

次に、図１２に示すように、手前にアルミニウムからなる厚さが５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ又は５０μｍのサンプル導電性膜１３が配置された、あるいは手前にサンプル導電性膜１３が配置されていない、アルミニウムからなる厚さが１０ｍｍのサンプル導電体１２に向けて、コイル１１からサンプル導電性膜１３までの距離Ｄ２を５００μｍに保って、コイル１１から周波数５０ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１１の抵抗値を測定した。すると、図１３に示すように、サンプル導電性膜１３が配置されていない場合は、コイル１１の抵抗値は、コイル１１からサンプル導電体１２までの距離Ｄ１が長くなるほど、減少する傾向にあった。しかし、サンプル導電性膜１３が配置されている場合は、コイル１１の抵抗値は、コイル１１からサンプル導電体１２までの距離Ｄ１が長くなるほど、増加する傾向にあった。さらに、コイル１１の抵抗値は、サンプル導電性膜１３の厚さに応じて著しくばらついた。

また、手前にサンプル導電性膜１３が配置された、あるいは手前にサンプル導電性膜１３が配置されていないサンプル導電体１２に向けて、コイル１１から周波数１０ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１１の抵抗値を測定した。すると、図１４に示すように、サンプル導電性膜１３が配置されている場合も、厚さが２０μｍ以下であれば、コイル１１の抵抗値は、コイル１１からサンプル導電体１２までの距離Ｄ１が長くなるほど、減少する傾向にあった。しかし、サンプル導電性膜１３の厚さが５０μｍの場合は、コイル１１の抵抗値は、距離Ｄ１が長くなるほど、増加する傾向にあり、依然として、コイル１１の抵抗値は、サンプル導電性膜１３の厚さに応じてばらついた。

以上示したように、コイル１１の抵抗値は、導電体の手前に配置された導電性膜の有無、及び導電性膜の厚さによってばらつく傾向にある。したがって、コイル１１の抵抗値と、コイル１１から導電体までの距離と、を関係づけるのは困難である。

次に、手前にサンプル導電性膜１３が配置された、あるいは手前にサンプル導電性膜１３が配置されていないサンプル導電体１２に向けて、コイル１１のＱ値を測定した。その結果、コイル１１のＱ値は、抵抗Ｒの逆数（１／Ｒ）への依存度が高いため、図１５及び図１６に示すように、コイル１１のＱ値は、導電体の手前に配置された導電性膜の有無、及び導電性膜の厚さによってばらつく傾向にある。したがって、コイル１１のＱ値と、コイル１１から導電体までの距離と、を関係づけるのは困難である。

これに対し、手前にサンプル導電性膜１３が配置された、あるいは手前にサンプル導電性膜１３が配置されていないサンプル導電体１２に向けて、コイル１１から周波数５０ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１１のインダクタンスの値を測定した。すると、図１７に示すように、サンプル導電性膜１３の有無にかかわらず、コイル１１のインダクタンスの値は、コイル１１からサンプル導電体１２までの距離Ｄ１が長くなるほど、増加する傾向にあった。

また、手前にサンプル導電性膜１３が配置された、あるいは手前にサンプル導電性膜１３が配置されていないサンプル導電体１２に向けて、コイル１１から周波数１０ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１１のインダクタンスの値を測定した。すると、図１８に示すように、サンプル導電性膜１３の有無、及びサンプル導電性膜１３の厚さによる、コイル１１のインダクタンスのばらつきは顕著に抑制された。

以上示したように、コイル１１のインダクタンスは、抵抗値Ｒ及びＱ値と比較して、導電性膜の有無、及び導電性膜の厚さによる影響を受けにくい傾向にある。さらに、コイル１１のインダクタンスのばらつきは、磁界の周波数が低くなるほど、導電性膜で生じる渦電流が減少するため、抑制される傾向にある。したがって、コイル１１のインダクタンスの値と、コイル１１から導電体までの距離と、を関係づけるのが可能となる。

そこで、例えば、図１８に示す磁界放射器１からサンプル導電体１２までの距離Ｄ１に対するコイル１１のインダクタンスの値の平均をとり、コイル１１のインダクタンスの値から、距離Ｄ１が一意的に定まる関係式を予め算出し、算出した関係式を図１に示す入力装置３１２等を介して関係記憶装置４０１に保存する。あるいは、関係記憶装置４０１に、コイル１１のインダクタンスの値から、距離Ｄ１が一意的に定まるテーブルを保存してもよい。またあるいは、図１８に示したように、導電性膜の有無がインダクタンスに与える影響が少ないことから、図１９に示すように、導電性膜が導電体の手間に配置されていない場合の、距離Ｄ１と、インダクタンスと、の関係を、関係記憶装置４０１に保存してもよい。

図１に示す特定部３０１は、関係記憶装置４０１から、磁界放射器１から導電体までの距離Ｄ１と、コイル１１のインダクタンスと、の関係を読み出す。また、特定部３０１は、磁界放射器１の前に、厚さが不明のアルミニウムからなる導電性膜３と、アルミニウムからなる測定対象導電体２と、が配置され、磁界放射器１から測定対象導電体２までの距離Ｄ１を測定する際に、磁界放射器１に、関係記憶装置４０１に保存されている関係を取得した際に用いた周波数と同じ周波数の磁界を放射させる。当該周波数は、導電性膜３の厚さのインダクタンスへの影響を抑制するよう、換言すれば、導電性膜３で生じる渦電流を抑制するよう設定されている。

さらに、特定部３０１は、磁界放射器１からインダクタンスの値を受信し、インダクタンスの測定値と、距離Ｄ１とコイル１１のインダクタンスとの関係と、に基づいて、磁界放射器１から測定対象導電体２までの距離Ｄ１の値を特定する。例えば、関係が、距離Ｄ１を従属変数とし、インダクタンスを独立変数とする式で表される場合、特定部３０１は、式の独立変数に、インダクタンスの測定値を代入して、距離Ｄ１の値を算出する。特定部３０１は、算出した距離Ｄ１の値を、磁界放射器１から測定対象導電体２までの距離の測定値として、例えば出力装置３１３に出力させる。

以上示したように、実施の形態に係る導電体センサによれば、導電性膜３の有無及び厚さが未知であり、かつ変化しても、磁界放射器１から測定対象導電体２までの距離Ｄ１を正確に測定することが可能となる。また、実施の形態に係る導電体センサは、測定対象導電体２の手前に、導電性の粉が飛散していても、磁界放射器１から測定対象導電体２までの距離Ｄ１を正確に測定することが可能となる。実施の形態に係る導電体センサは、例えば、電池の電極などに用いられる金属箔の製造ラインに用いられる金属製ローラであって、金属箔を搬送する金属製ローラの位置を、金属箔を間に挟んで測定する際などに有用である。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施の形態及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、関係記憶装置４０１は、関係を、導電体の材料毎に保存していてもよい。この場合、特定部３０１は、測定対象導電体２の材料と同じ材料のサンプル導電体を用いて取得された関係を、関係記憶装置４０１から読み出せばよい。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

１ 磁界放射器
２ 測定対象導電体
３ 導電性膜
１１ コイル
１２ サンプル導電体
１３ サンプル導電性膜
３０１ 特定部
３１２ 入力装置
３１３ 出力装置
４０１ 関係記憶装置

Claims (12)

1. 磁界放射器と、
   磁界放射器から導電体までの距離と、磁界放射器のインダクタンスと、の関係を保存する関係記憶装置と、
   前記関係と、手前に導電性膜が配置された測定対象導電体に向けて前記磁界放射器が磁界を放射した場合の前記磁界放射器のインダクタンスの測定値と、に基づいて、前記磁界放射器から前記測定対象導電体までの距離を特定する特定部と、
   を備える、導電体センサ。
2. 前記導電性膜と、前記測定対象導電体と、が、非磁性体からなる、請求項１に記載の導電体センサ。
3. 前記磁界放射器がＬＣ発振回路を構成するコイルを備る、請求項１又は２に記載の導電体センサ。
4. 前記磁界放射器が、前記関係を取得する際に用いられた磁界の周波数と同じ周波数の前記磁界を、前記測定対象導電体に向けて放射する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の導電体センサ。
5. 前記周波数が、前記導電性膜の厚さが前記インダクタンスに与える影響を抑制するよう設定されている、請求項４に記載の導電体センサ。
6. 前記関係記憶装置が、前記関係を、前記導電体の材料毎に保存している、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の導電体センサ。
7. 磁界放射器から導電体までの距離と、磁界放射器のインダクタンスと、の関係を用意することと、
   手前に導電性膜が配置された測定対象導電体に向けて磁界放射器から磁界を放射し、前記磁界放射器のインダクタンスの値を測定することと、
   前記関係と、前記インダクタンスの測定値と、に基づいて、前記磁界放射器から前記測定対象導電体までの距離を特定することと、
   を含む、導電体の検出方法。
8. 前記導電性膜と、前記測定対象導電体と、が、非磁性体からなる、請求項７に記載の導電体の検出方法。
9. 前記磁界放射器がＬＣ発振回路を構成するコイルを備る、請求項７又は８に記載の導電体の検出方法。
10. 前記磁界放射器が、前記関係を取得する際に用いられた磁界の周波数と同じ周波数の前記磁界を、前記測定対象導電体に向けて放射する、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の導電体の検出方法。
11. 前記周波数が、前記導電性膜の厚さが前記インダクタンスに与える影響を抑制するよう設定されている、請求項１０に記載の導電体の検出方法。
12. 前記関係を取得する際に用いられた前記導電体の材料と、前記測定対象導電体の材料と、が同じである、請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の導電体の検出方法。