JP2015507177A - 物体のコンダクタンスを決定するためのシステム、制御器、および方法 - Google Patents

Abstract

物体のコンダクタンスを決定するためのシステムは、励磁信号が受け取られた時に電磁場を放射するよう設定されたセンサーを含み、ここで、物体が電磁場内に位置付けられた時に電磁場は物体と相互作用を起こす。信号処理回路はセンサーと結合され、センサーを流れる電流の位相角を調整するため、センサーを通る電圧を代表する電圧測定を生むため、およびセンサーを流れる電流を代表する電流測定を生むため、調整可能なキャパシタンスをセンサーに提供するよう設定される。制御器は信号処理回路に結合され、電圧測定および電流測定に基づきセンサーのアドミタンスを計算し、計算されたセンサーのアドミタンスに基づき物体のコンダクタンスを決定するよう設定される。【選択図】なし

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、米国仮出願第６１／５６８，２２４号（２０１１年１２月８日届出）の利益を請求し、その全体を参照により本明細書に組み込む。

本発明の技術分野は、一般的には監視システムに、より具体的には物体または物質のコンダクタンスを決定するためのシステム、制御器、および方法に関する。

周知の一部の測定システムは、電極を試料と接触させることで関心のある試料の伝導性を測定する。電圧が電極に加圧され、結果的に生まれる電流が測定される。次に、測定された電流から伝導性が計算される。場合によっては、ある種の画像化が可能となるように多数の電極が試料に取り付けられるが、伝導性には試料にわたり空間的に変動が出ることが条件となる。この後者の条件は、地質学的試料およびヒト組織試料にも当てはまる。

別の方法は、外部コイルへの誘導結合により試料内に渦電流を生むことである。渦電流は物質の局所伝導性に比例して存在し、多数の方法で検出することができる。例えば、コイルが試料の近くに配置される場合は、コイルに消散された電気エネルギー量を測定することができる。

渦電流は通常、共振状態で共振するプローブまたはセンサーを用いて生成される。プローブが共振状態でも保たれるように、プローブを自動的に調節するための位相ロックループ（ＰＬＬ）回路をプローブ内に含めてもよい。加えて、かかるプローブには、ピーク検出器および／または可変抵抗器といった、共振状態を保つまたは消散されたエネルギーを検出するために追加の構成要素が必要となる場合がある。ＰＬＬ回路や追加構成要素は好ましくないことに、プローブの大きさや費用を増大させうる。

そのため、費用対効果が高く、正確で効率的な方法で非侵襲的に物体のコンダクタンスを決定するシステムおよび方法に対する必要性が依然として存在する。

一つの態様において、物体のコンダクタンスを決定するためのシステムは一般に、励磁信号が受け取られた時に電磁場を放射するよう設定されたセンサーを含み、ここで、物体が電磁場内に位置付けられた時に電磁場は物体との相互作用を起こす。信号処理回路はセンサーと結合され、センサーを流れる電流の位相角を調整するため、センサーを通る電圧を代表する電圧測定を生むため、およびセンサーを流れる電流を代表する電流測定を生むため、調整可能なキャパシタンスをセンサーに提供するように設定される。制御器は信号処理回路に結合され、電圧測定および電流測定に基づきセンサーのアドミタンスを計算し、計算されたセンサーのアドミタンスに基づき物体のコンダクタンスを決定するように設定される。

別の態様において、物体のコンダクタンスを決定する方法は一般に、電磁場が物体との相互作用を起こすように、物体に向けて電磁場を放射することを含む。センサーを流れる電流の位相角は、センサーに結合される調整可能なコンデンサ素子を用いて調整される。センサーを通る電圧を代表する電圧測定と、センサーを流れる電流を代表する電流測定が生成される。センサーのアドミタンスは、電圧測定および電流測定に基づき計算され、物体のコンダクタンスは計算されたセンサーのアドミタンスに基づき決定される。

なおも別の態様において、物体のコンダクタンスを決定するための制御器は一般に、プロセッサおよびプロセッサに結合された記憶装置を含む。記憶装置は、センサーを流れる電流を代表する電流測定を受け取るためにプロセッサによって実行可能な位相角計算機モジュールを含む複数のプログラムモジュールを保管し、センサーを流れる電流の位相角を計算するように設定される。プログラムモジュールはまた、電流測定を受け取り、センサーを通る電圧を代表する電圧測定を受け取り、電流測定および電圧測定に基づきセンサーのインピーダンスを計算するためにプロセッサによって実行可能なインピーダンス計算機モジュールを含む。プログラムモジュールは、計算された位相角と計算されたインピーダンスに基づきセンサーのアドミタンスを計算するためにプロセッサによって実行可能なアドミタンス計算機モジュールと、計算されたセンサーのアドミタンスに基づき物体のコンダクタンスを決定するためにプロセッサによって実行可能なコンダクタンス計算機モジュールをさらに含む。

物体のコンダクタンスを決定するために使用されうる監視システムの一つの実施形態のブロック図である。 図１の監視システムとの併用に適したセンサーの上面図である。 図２Ａのセンサーの電気特性を代表する回路の概略図である。 図１に示す監視システムのブロック図である。 図３に示す監視システムとの併用に適した信号処理回路のアナログ部分の回路図である。 監視システムによって生成・使用されうるキャリブレーションプロットのグラフである。 監視システムを使用して物体のコンダクタンスを決定する方法を示す流れ図である。 監視システムによって測定された物体のアドミタンスのグラフである。

呼応する参照文字は、図面全体の呼応する部分を示す。

図１は、物体のコンダクタンス１０２の決定または監視に使用することのできる、一般には１００で示される監視システムの一つの適切な実施形態のブロック図である。一つの適切な実施形態において、監視システム１００は、何らかの状態の決定または例えば血管系疾患などの疾患の診断のために使用される、人体の一つ以上の場所でのコンダクタンス（または伝導性）を非侵襲的な方法で決定および／または監視するために使用される。

監視システム１００は、信号処理回路１０６に結合されたセンサー１０４、および信号処理回路に結合された制御器１０８を含む。一つの適切な実施形態において、監視システム１００は、システムの構成要素を保護するため筐体１１０内部に収納されてもよい。筐体１１０は、溝１１２がセンサー１０４と物体１０２の間に確定されるように、物体１０２のすぐ近い所に位置付けられてもよい。

操作中、信号処理回路１０６は固定周波数励磁信号を生成し、励磁信号をセンサー１０４に送信する。励磁信号によって、センサー１０４は、一般的には１１４で示される電磁場を放射する。センサー１０４が物体１０２のすぐ近い所に配置されると、電磁場１１４は溝１１２を横断して物体と相互作用を起こし、物体内での渦電流の形成を生じさせる。場１１４および物体１０２の相互作用は通常、センサーが試験対象または監視対象の物体の近い所にある間、センサー全体にわたって生じる浮遊キャパシタンスを理由として、センサー１０４から受け取られる信号（例：センサーを流れる電流）の位相角のシフトを生じさせる。特に、センサー１０４を流れる電流およびセンサーを通る電圧は、同時に各々の最大値に到達しない場合がある。従って、位相角は、センサーを流れる電流１０４が最大値に到達する時間と、センサーを通る電圧が最大値に到達する時間の間の違いを意味する。ゼロ位相角は、センサー１０４の共振状態を示す。

加えて、センサー１０４から受け取られた信号は減衰することができ、励磁信号の増幅に比べた信号の増幅の減少が生じる。信号の減衰により、実効インピーダンスのセンサー１０４への減少が生じる。本明細書でより詳述するように、信号処理回路１０６は、センサー１０４から受け取られた信号の電流および電圧を測定し、測定された電流および電圧を制御器１０８に送信する。

制御器１０８は、センサー１０４から受け取られた信号の位相角を検出し、信号処理回路１０６から受けられた電圧と電流測定に基づきセンサーのインピーダンスを検出する。加えて、制御器１０８はセンサーのアドミタンス１０４を計算し、計算されたアドミタンスを使用して物体のコンダクタンス１０２を決定する。物体の一つ以上の特性または状態を決定するために、物体のコンダクタンス１０２を使用することができる。

図２Ａおよび２Ｂは、図１に示す監視システム１００との併用に適したセンサー１０４を示す。より具体的には、図２Ａはセンサー１０４の上面図であり、図２Ｂはセンサーの電気特性を代表する回路２００の概略図である。

図２Ａに示すように、センサー１０４は実質的に平面２０４を持つセンサー本体２０６を含む。実質的にらせん状の伝導体２０２（または「コイル」）は、センサー本体２０６の実質的な平面２０４に結合される。一つの適切な実施形態において、センサー本体２０６はプリント基板（ＰＣＢ）である。例えば、センサー本体２０６は、第一の層内に位置付けられた伝導体２０２と、らせん状に配列され、伝導体２０２に対して互い違いまたは相互配置され、第二の層内に位置付けられる追加の伝導体（非表示）を含む二重層ＰＣＢであってもよい。別の実施形態において、センサー本体２０６は、伝導体２０２をそこに結合することを可能にするその他の物質であってもよい。

図２Ｂに示すように、伝導体２０２は、第一の抵抗素子２１０（Ｒ_ｓ）に直列接続されたインダクタ２０８（Ｌ）として示されている。伝導体２０２および第一の抵抗素子２１０は、第二の抵抗素子２１２（Ｒ_ｐ）およびコンデンサ素子２１４に並列接続されている。

一つの適切な実施形態において、第一の抵抗素子２１０は、物体１０２と相互作用する渦電流の結果としてセンサー１０４に追加または誘発される実効抵抗を示す。第二の抵抗素子２１２は、希望に応じてセンサー１０４の「Ｑ」因子を減少するためにセンサー１０４に結合された抵抗器である。第二の抵抗素子２１２は任意の適切な抵抗を持つように選定されうるが、第二の抵抗素子は第一の抵抗素子２１０の抵抗よりもはるかに高い抵抗を持つことに留意されたい。例えば、第二の抵抗素子２１２は第一の抵抗素子２１０の抵抗よりも約１０００倍または１００００倍、さらにはそれ以上でもありうる。

コンデンサ素子２１４は、センサーおよび／またはセンサーを流れる電流から受け取られた信号の位相角を調整するために、センサー１０４に結合される。一つの適切な実施形態において、コンデンサ素子２１４は、ユーザーまたは制御器１０８などの装置がコンデンサ素子２１４のキャパシタンスを調整できるようにする調整コンデンサ（「トリマ」とも呼ばれる）である。コンデンサ素子２１４は、並列結合された複数のコンデンサ構成要素として示されうることに留意されたい。例えば、第一のコンデンサ構成要素２１６は伝導体２０２に帰属するキャパシタンス量を、第二のコンデンサ構成要素２１８は伝導体２０２と伝導体２０２の近くに配置された物体１０２との相互作用の結果として伝導体２０２に短絡されたキャパシタンスを、および第三のコンデンサ構成要素２２０はユーザーまたは制御器１０８によるコンデンサ素子２１４のキャパシタンスの調整を可能にする上述の調整可能なキャパシタンスを示す。

一つの適切な実施形態において、監視システム１００は、伝導体２０２にわたる短絡されたキャパシタンス（すなわち、第二のコンデンサ構成要素２１８で示されるキャパシタンス）を測定する。ユーザーまたは制御器１０８は、各キャパシタンス値でセンサー１０４から受け取られた信号の位相角（または以下に記述する補正位相角）を測定しつつ、コンデンサ素子２１４のキャパシタンス範囲全体にわたりコンデンサ素子２１４（すなわち、第三のコンデンサ構成要素２２０）の値を調整または「スイープ」する。コンデンサ素子２１４の調整（「コンデンサスイープ」とも呼ばれる）は、一回目は伝導体２０２の近くに物体がある状態で（すなわち、伝導体により生成された電磁場１１４内で）、二回目は伝導体の近くに物体がない状態で（すなわち、伝導体により生成された電磁場１１４内ではなく）実施される。制御器１０８は、２回のコンデンサスイープ中に共振（例：位相角が実質的にゼロ）を生むために必要なキャパシタンス値を比較して、キャパシタンス間の違いを決定する。物体が伝導体２０２の近くにない時に共振を生むために必要なキャパシタンス量は、物体が伝導体の近くにある時に必要なキャパシタンス量よりも高い。キャパシタンス値の違いが、伝導体２０２と物体１０２の間の相互作用から生じるキャパシタンス量であり、さらには物体の物理的条件または状態と関連している。

図３は、図１に示す監視システム１００を、一般には３００で示す簡略的なブロック図である。図４は、監視システム１００の一つの模範的な信号処理回路４００のアナログ部分を図示している。

図３に示すように、センサー１０４はコンデンサ素子２１４および信号源３０２に結合される。一つの適切な実施形態において、コンデンサ素子２１４および信号源３０２は信号処理回路１０６内に位置付けられる。別の方法として、コンデンサ素子２１４および／または信号源３０２は、センサー１０４内、またはセンサーと信号処理回路１０６両方の外側に位置付けられうる。

信号処理回路１０６は、電流検出回路３０４および電圧検出回路３０６を含む。電流検出回路３０４は、センサー１０４を流れる電流またはセンサー１０４からの出力を検出または測定する。一つの適切な実施形態において、電流検出回路３０４は、測定されたセンサーを流れる電流１０４に比例した電圧を持つ出力信号（本明細書以降では「電流測定信号」と呼ぶ）を生む。電圧検出回路３０６は、センサー１０４を通る電圧、またはセンサーからの電圧出力を検出または測定する。適切な実施形態において、電圧検出回路３０６は、センサー１０４を通る測定された電圧に比例する電圧を持つ出力信号（本明細書以降では「電圧測定信号」と呼ぶ）を生む。電流測定信号および電圧測定信号は、制御器１０８に送信される。

制御器１０８は、プロセッサ３０８およびプロセッサに操作可能なように接続された記憶装置３１０を含む。プロセッサ３０８は、一つ以上のシステムおよびマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、ＲＩＳＣ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、および本明細書に記載した機能を実行できるその他の回路を含む、適切なプログラム可能な回路を含む。上述の例は例示目的のみであって、「プロセッサ」という用語の意味を制限する意図は全くない。適切な実施形態において、プロセッサ３０８はコンデンサ素子のキャパシタンスを制御または調整するために、操作可能なようにコンデンサ素子２１４に結合される。

記憶装置３１０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ、ハードディスク ドライブ、半導体ドライブ、ディスケット、フラッシュドライブ、コンパクトディスク、デジタルビデオディスク、および／または適切なメモリを含むがこれらに限定されない、コンピュータ可読な記憶媒体を含む。適切な実施形態において、記憶装置３１０は、プロセッサ３０８が指示によってプログラミングされプロセッサ３０８が本明細書に記載する機能を実施できるように、プロセッサ３０８によって実行可能なデータおよび／または指示を含む。

加えて、記憶装置３１０は、プロセッサ３０８によって実行される複数のコンピュータが実行できるプログラムモジュールを含む。プログラムモジュールには、位相検出器モジュール３１２、インピーダンス検出器モジュール３１４、アドミタンス計算機モジュール３１６、およびコンダクタンス計算機モジュール３１８を含む。別の方法として、位相検出器モジュール３１２などの一つ以上のプログラムモジュールをプロセッサ３０８とは別個の回路または装置によって実施してもよい。

適切な実施形態において、位相検出器モジュール３１２は、信号処理回路１０６から受け取られた電流測定信号および電圧測定信号に基づきセンサーの位相角１０４（例：センサーを流れる電流の位相角）を検出する。特に、位相検出器モジュール３１２は、電流測定信号および電圧測定信号の間の位相シフトまたは位相角を検出し、電圧測定信号および電流測定信号の間の検出された位相シフトまたは位相角を代表する信号または値（本明細書以降ではと呼ぶ「センサー位相角」）を生む。一つの適切な実施形態において、本明細書でより詳述するように、プロセッサ３０８はセンサー位相角のための位相角補正値を計算する。

インピーダンス検出器モジュール３１４は、センサー１０４の実効インピーダンス（例：図２Ｂに示す実効センサー回路２００のインピーダンス）を検出する。特に、インピーダンス検出器モジュール３１４は、電圧測定信号で示される、センサー１０４を通る測定された電圧の二乗平均平方根（ＲＭＳ）（本明細書以降では「センサー電圧」と呼ぶ）を、電流測定信号で示される、センサーを流れる電流のＲＭＳ（本明細書以降では「センサー電流」と呼ぶ）で割って、センサーの実効インピーダンス（本明細書以降では「センサーインピーダンス」と呼ぶ）を計算する。一部の実施形態において、センサー電圧およびセンサー電流は、センサー１０４を通る電圧およびセンサーを流れる電流の波形から得られる瞬間的な電圧と電流に基づいたものでありうる。

アドミタンス計算機モジュール３１６は、センサー位相角（位相角補正値により調整された値）およびセンサーインピーダンスに基づきセンサーのアドミタンス１０４を計算する。例えば、本明細書でより詳述するように、アドミタンス計算機モジュール３１６は、センサー位相角（位相角補正値で調整された値）の余弦をセンサーインピーダンスで割ってセンサーのアドミタンスを計算する。

コンダクタンス計算機モジュール３１８は、計算されたセンサーのアドミタンス１０４に基づき物体のコンダクタンス１０２を検出または計算する。例えば、適切な実施形態において、コンダクタンス計算機モジュール３１８は、本明細書でより詳述されるキャリブレーションプロットを参照してセンサー１０４の計算されたアドミタンス値に呼応するコンダクタンス値を決定することで、物体のコンダクタンス１０２を決定する。制御器１０８によって検出または計算された物体のコンダクタンス１０２、センサーのアドミタンス１０４、および／またはその他の値は、例えば、ディスプレイまたは保管装置に出力されうる。

図４に示すように、信号源３０２は、図２Ｂを参照して上述される第二の抵抗素子２１２、コンデンサ素子２１４、およびセンサー回路２００（インダクタ２０８および第一の抵抗素子２１０を含む）に並列結合されている。信号源３０２はまた、センサー１０４を流れる電流（すなわち、上述のセンサー電流）の検出に使用するための電流検出抵抗器４０２にも直列結合されている。信号源３０２は、ＡＣ励磁信号をセンサー１０４に提供する交流電流（ＡＣ）源である。一つの適切な実施形態において、信号源３０２は、約１２メガヘルツ（ＭＨｚ）またはその他の適切な周波数などの所定の周波数で振動するコルピッツ水晶発振器であるか、同発振器を含む。

適切な実施形態において、電流検出回路３０４は、電流検出抵抗器の電圧降下を測定するために、電流検出抵抗器４０２に結合される。一つの適切な実施形態において、電流検出回路３０４は、対の演算増幅器（ｏｐ−ａｍｐ）などの対の増幅器を含む。電流検出回路３０４は、センサー１０４を流れる電流に比例した電圧を持つ信号処理回路４００（すなわち、電流測定信号）の第一の出力４０４を生む。

適切な実施形態において、電圧検出回路３０６は、第二の抵抗素子２１２の電圧降下、それゆえセンサー１０４を通る電圧降下を測定するために、第二の抵抗素子２１２に結合される。一つの適切な実施形態において、電圧検出回路３０６は、対のｏｐ−ａｍｐなどの対の増幅器を含む。電圧検出回路３０６は、センサー１０４を通る電圧に比例した電圧を持つ信号処理回路４００（すなわち、電流測定信号）の第二の出力４０６を生む。

操作中、信号処理回路４００は、センサーのアドミタンス１０４を計算することで物体のコンダクタンス１０２の決定を促すために使用される。特に、センサー１０４のアドミタンス（Ｙ）は以下のとおりである：
同式においてＧはアドミタンスＹの実部であり、ＢはアドミタンスＹの虚部（サセプタンス）である。適切な実施形態においては、アドミタンスの実部Ｇのみが本明細書で使用され、アドミタンスの虚部Ｂは無視される。従って、本明細書で使用する場合、「アドミタンス」という用語は、別途指定されない限り、アドミタンスＹの実部Ｇを意味する。

センサー１０４のアドミタンスＧは、等式からＧを計算して得られる：
同式において、θはセンサーの位相角（すなわち、センサーからの信号出力の位相角）、Ｚはセンサーのインピーダンス、Ｒ_ｐは第二の抵抗素子２１２の抵抗、Ｒ_ｓは第一の抵抗素子２１０の実効抵抗、ωはセンサーの周波数（すなわち、センサーからの信号出力の周波数）、およびＬはセンサーのインダクタンス（すなわち、インダクタ２０８のもの）である。

等式２を参照すると、Ｒ_ｓは通常、項ω^２Ｌ^２よりも小さく、一部の実施形態においては、無視するか、項ω^２Ｌ^２の隣でゼロと概算してもよい。従って、インダクタンスＬは一定のため、アドミタンスは１／ω^２に対して実質的に直線にモデル化される。言い換えれば、センサー１０４のアドミタンスは多くの適切な周波数で計算でき、先行技術のシステムと比べて、センサー１０４の共振周波数または同周波数近く、または共振状態の時に限って計算されるといった制限を受けない。

従って、センサー１０４のアドミタンスを計算するために、センサー位相角およびセンサーインピーダンスが上述のとおりに計算される。プロセッサ３０８は、センサー位相角の余弦を計算し、その結果をセンサーインピーダンスで割ってセンサーのアドミタンスを計算する。

しかしながら、その他の回路の構成要素から生じるさらなる位相シフトを理由として、位相角の測定には調整またはキャリブレーションが必要な場合がある。従って、適切な実施形態において、センサーのアドミタンス１０４を計算する前に、位相角補正値が決定される。第一に、コンデンサ素子が提供することのできる最高キャパシタンス値などの高キャパシタンス値にコンデンサ素子２１４が調整される。センサー１０４の位相角（本明細書以降では「高キャパシタンス位相角」と呼ぶ）が上述のとおり測定され、位相角補正値はおよそ９０度に高キャパシタンス位相角を足した角度に設定される。理想的な構成要素を伴う理想的な状況において、位相角補正値はゼロである。

次に、センサーの位相角から位相角補正値を差し引いた角度が所定の位相角ウィンドウ（範囲）内に収まるまで、コンデンサ素子２１４が調整される（すなわち、センサー１０４にわたり結合されたキャパシタンスが調整される）。一つの適切な実施形態において、位相角ウィンドウは約−７０度〜約＋７０度である。さらなる実施形態において、位相角ウィンドウからは約−３度〜約＋３度の所定の共振位相角ウィンドウが除外される。従って、かかる実施形態において、位相角ウィンドウは、約−７０度および約−３度、および約＋３度および約＋７０度の間の位相角を含みうる。別の方法として、位相角ウィンドウおよび／または共振位相角ウィンドウは、本明細書に記述するように監視システム１００が機能できるようにその他の上限または下限を含んでもよい。

位相角補正値で調整された位相角（すなわち、位相角から位相角補正値を差し引いた角度）が所定の位相角ウィンドウ内に収まる場合は、（例：調整されたセンサー位相角の余弦をセンサーインピーダンスで割ることで）プロセッサ３０８が上述のとおりセンサーのアドミタンス１０４を計算する。プロセッサ３０８は、センサー１０４のキャリブレーションプロットに参照することで、物体のコンダクタンス１０２を決定する。従って、本明細書に記述するように、監視システム１００（例：プロセッサ１０８）は、センサーのアドミタンス１０４を計算し、センサーが共振状態にない状態でも物体のコンダクタンス１０２を決定することができる。

図５は、監視システム１００によって生成および／または使用されうる、一般には５００で示される模範的なキャリブレーションプロットのグラフを示す。キャリブレーションプロット５００の横座標軸は、一つ以上の物体のコンダクタンス（または伝導性）５０２を、縦座標軸は、監視システム１００によって決定されるセンサー１０４のアドミタンス５０４を示す。適切な実施形態において、キャリブレーションプロット５００内に示される全ての測定は、センサー励磁信号に対する単一の固定周波数を用いて得られる。

適切な実施形態において、キャリブレーションプロット５００は、監視システム１００にキャリブレーションを行うように生成される。例えば、キャリブレーションプロット５００は、センサー１０４の測定されたアドミタンス５０４と、監視対象の規格化された物体のコンダクタンス５０２の間の相関性を特定するために生成される。実験結果は、監視対象の物体の伝導性が一定の場合には、センサー１０４のアドミタンス５０４とセンサー１０４からの信号周波数出力の逆平方根の間には実質的に直線関係が存在することを示している。さらに、実験結果はまた、本明細書に記述するように監視システム１００が使用される場合など、励起周波数が固定周波数で保たれる場合には、センサー１０４のアドミタンス５０４と監視対象の物体の伝導性（またはコンダクタンス５０２）の間には実質的に直線関係が存在することも示している。

操作中、周知のコンダクタンスを持つ複数の物体（すなわち、物体が周知のコンダクタンスを持つ諸物質から構成されている）が選定され、監視システム１００によって監視される。各物体は、各物体のコンダクタンスが別の各物体のコンダクタンスとは違うように選定される。各物体について、監視システム１００は物体に向けて電磁場１１４を放射し、物体内で誘発された渦電流に対応してセンサーのアドミタンス１０４（図３および４を参照して上述したとおり）を計算する。各測定、センサーと物体の間の溝（すなわち、図１に示す溝１１２）は実質的に同じ距離を保つ。測定されたアドミタンスを物体の周知の特定のコンダクタンスに比してプロットし、ｂｅｓｔ−ｆｉｔ法を用いたアルゴリズムを使用して、または別の方法でプロットされたアドミタンス５０４とコンダクタンス５０２の各値を実質的に結ぶ線を生むことで、キャリブレーションプロット５００が生成される。一部の適切な実施形態では、複数の溝１１２で行われた測定に呼応する複数のキャリブレーションプロット５００が生成され、図３に示す記憶装置３１０などのメモリに保管される。

キャリブレーションプロット５００が生成されると、プロット５００の勾配とプロット５００のゼロ交差（すなわち、物体のコンダクタンス５０２がゼロの時のアドミタンス５０４の切片または値）が決定される。キャリブレーションプロット５００の勾配とゼロ交差により、監視システム１００によるセンサー１０４の測定されたアドミタンス５０４と、監視対象の物体の未知のコンダクタンス５０２の間の後ほどの相関付けが可能となる。

図６は、図１に示す物体１０２などの物体のコンダクタンスの決定に適切な方法６００を示す流れ図である。適切な実施形態において、方法６００は図１に示す監視システム１００によって実行される。

最初に、監視システム１００についてのキャリブレーションプロット５００が生成６０２される。例えば、図５を参照してより詳述された周知のコンダクタンスを持つ物体を監視するためにセンサーを使用しつつ、センサー１０４のアドミタンス値が計算または測定される。キャリブレーションプロット５００は、測定されたアドミタンス値および周知のコンダクタンス値から生成される。一つの適切な実施形態において、キャリブレーションプロット５００および／またはキャリブレーションプロットの元となる値は、監視システム１００の記憶装置３１０などのメモリに保管される。一部の実施形態においては、複数の溝１１２で行われた測定に呼応する複数のキャリブレーションプロット５００が生成され、記憶装置３１０に保管される。

キャリブレーションプロット５００が生成６０２された後、コンダクタンス試験を開始６０４してもよい。電磁場１１４が物体１０２に向けて放射６０６され、電磁場が物体と相互作用を起こす。例えば、図４に関する上述のとおり、センサー１０４に対する位相角補正値が決定６０８される。さらに、センサー１０４のキャパシタンス（例：図２に示すコンデンサ素子２１４）は、センサー位相角（位相角補正値を差し引いた値）は位相角ウィンドウ内に収まるように調整６１０される。一つの適切な実施形態において、センサー電流、センサー電圧、センサー位相角、および位相角補正値を代表する値がメモリに保管される。

センサー１０４のインピーダンスは、センサー電流およびセンサー電圧値を用いて計算６１２される。センサーのアドミタンス１０４は、計算されたインピーダンスおよび調整されたセンサー位相角（すなわち、センサー位相角から位相角補正値を差し引いた値）を用いて計算６１４される。

物体のコンダクタンス１０２は、計算されたセンサー１０４のアドミタンスおよびキャリブレーションプロット５００に基づき決定６１６される。例えば、計算されたセンサーのアドミタンス１０４がキャリブレーションプロット５００にプロットされ、物体１０２の呼応するコンダクタンス値が決定される。計算されたセンサーのアドミタンス１０４、決定された物体のコンダクタンス１０２、および／または方法６００または監視システム１００を用いて決定されたその他の値などのコンダクタンス試験の結果は、随意に表示６１８してもよい。結果はまた、アドミタンスおよび／または伝導性の変化を決定するために、過去の試験結果との比較を含めたり、および／または基準値のアドミタンス値またはコンダクタンス値などの一つ以上の基準値との比較を含んでもよい。結果は、表示装置上でユーザーに表示したり、一つ以上の遠隔装置に電子送信・表示したり、および／または後ほどの表示および／または分析のためにメモリに保管してもよい。方法６００は、希望に応じて物体１０２または新しい物体に対するコンダクタンス試験を開始６０４するために戻ることができる。

図７は、監視システム１００によって実験的に生成された、一般には７００で示される測定されたアドミタンスをグラフで示す。アドミタンスプロット７００の第一の縦座標軸は物体の計算されたインピーダンス７０２を示し、第二の縦座標軸は物体の計算されたアドミタンス７０４を示す。横座標軸はセンサー１０４の位相角７０６を示す。

アドミタンスプロット７００は、位相角の変化に伴いインピーダンスに相当な違いが出るにもかかわらず、アドミタンスの計算値は位相角値範囲（例：約−７０度〜約７０度）で実質的に一定であることを示す実験データを含む。一つの実施形態において、計算されたインピーダンスは位相角がおよそゼロ、つまり共振を示す最大値に到達したため、センサー１０４および／または信号処理回路１０６に対する位相角補正の必要性がなかったことに留意されたい。

別の方法として、インピーダンスの最大値に到達するまで、コンデンサ素子２１４を調整し、信号処理回路１０６を調整することで、位相角を補正することができる（図７に示すとおり）。インピーダンスが最大となる地点で測定された位相角が、位相角補正値として使用される。従って、かかる実施形態においては、最大インピーダンス値で特定された位相角の値が、それ以降の位相角測定から差し引かれる。位相角の補正は必要ない場合もあるが、例えば電流検出回路３０４または電圧検出回路３０６内に位相シフトを意図的に導入するのが望ましい場合もある。特に位相角がゼロまたはゼロに近い状態で監視システム１００を操作する時には、かかる位相シフトは位相測定の精度を改善することができる。

本明細書に記載するシステムおよび方法の技術的効果は、（ａ）電磁場が物体と相互作用を起こすように物体に向けて電磁場を放射すること、（ｂ）センサーに結合された調整可能なコンデンサ素子を使用してセンサーを流れる電流の位相角を調整すること、（ｃ）センサーを通る電圧を代表する電圧測定を生むこと、（ｄ）センサーを流れる電流を代表する電流測定を生成むこと、（ｅ）電圧測定および電流測定に基づきセンサーのアドミタンスを計算すること、および（ｆ）計算されたセンサーのアドミタンスに基づき物体のコンダクタンスを決定することのうち少なくとも一つを含む。

本発明またはその好適な実施形態の要素を導入する場合は、「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「前記」などの品詞は、一つ以上の要素の存在を意味することを意図する。「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含めて（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「を持つ（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は包括的なことを意味し、記載された要素以外の追加要素が存在する場合があることを意味する。

上記の構成には、本発明の範囲から逸脱することなくさまざまな変更を行うことができ、上記の説明に含まれる、または付随の図面に示される全ての主題は図示的なものとして解釈され、限定的なものとしては解釈されないものとする。

Claims (20)

1. 物体のコンダクタンスを決定するためのシステムであって、
   励磁信号が受け取られた時に電磁場を放射するよう設定されたセンサーであって、ここで物体が電磁場内に位置付けられた時に電磁場が物体との相互作用を起こすセンサーと、
   センサーに結合された信号処理回路であって、
   センサーを流れる電流の位相角を調整するためにセンサーに調整可能なキャパシタンスを提供する、
   センサーを通る電圧を代表する電圧測定を生む、
   センサーを流れる電流を代表する電流測定を生むように設定された信号処理回路と、
   信号処理回路に結合された制御器であって、
   電圧測定および電流測定に基づきセンサーのアドミタンスを計算する、
   計算されたセンサーのアドミタンスに基づき物体のコンダクタンスを決定するように設定された制御器と
   を含むシステム。
2. 制御器がさらに記憶装置を含み、制御器がキャリブレーションプロットを代表するデータを記憶装置内に保管するよう設定されており、ここでキャリブレーションプロットがセンサーの過去のアドミタンス値と複数の周知の物質のコンダクタンス値の相関性を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 制御器がキャリブレーションプロットを使用して計算されたセンサーのアドミタンスとコンダクタンス値の相関付けを行うことで物体のコンダクタンスを決定する、請求項２に記載のシステム。
4. 制御器がセンサーのアドミタンスの虚部を無視することでセンサーのアドミタンスを計算するように設定された、請求項１に記載のシステム。
5. 制御器が生成される電圧測定および電流測定に基づきセンサーを流れる電流の位相角およびセンサーのインピーダンスを決定するように設定された、請求項１に記載のシステム。
6. 制御器がセンサーを流れる電流の位相角に対する位相角補正値を計算するように設定された、請求項５に記載のシステム。
7. 制御器が位相角から位相角補正値を差し引いた値が所定の位相角ウィンドウ以内に収まるようにキャパシタンスを調整するように設定された、請求項６に記載のシステム。
8. 制御器が物体との相互作用の結果としてセンサーに短絡されたキャパシタンスを決定するようにさらに設定された、請求項１に記載のシステム。
9. 請求項８に記載のシステムであって、キャパシタンスを決定するために制御器が
   物体が電磁場内に位置付けられていない時にセンサーが共振状態となるように、調整可能なキャパシタンスを第一の値に調整する、
   物体が電磁場内に位置付けられている時にセンサーが共振状態となるように、調整可能なキャパシタンスを第二の値に調整する、
   センサー全体に短絡されたキャパシタンスが第一の値および第二の値の間の違いとなるように決定するように設定されたシステム。
10. 物体のコンダクタンスを決定する方法であって、
    電磁場が物体との相互作用を起こすように物体に向けて電磁場を放射すること、
    センサーに結合された調整可能なコンデンサ素子を用いてセンサーを流れる電流の位相角を調整すること、
    センサーを通る電圧を代表する電圧測定を生むこと、
    センサーを流れる電流を代表する電流測定を生むこと、
    電圧測定および電流測定に基づきセンサーのアドミタンスを決定すること、
    計算されたセンサーのアドミタンスに基づき物体のコンダクタンスを決定すること
    を含む方法。
11. 記憶装置内のキャリブレーションプロットを代表するデータの保管をさらに含み、前記キャリブレーションプロットがセンサーの過去のアドミタンス値と複数の周知の物質のアドミタンス値の間の相関性を含む、請求項１０に記載の方法。
12. キャリブレーションプロットを用いて計算されたセンサーのアドミタンスとコンダクタンス値の相関付けを行うことで、物体のコンダクタンスを決定することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. センサーのアドミタンスの実部を計算し、センサーのアドミタンスの虚部を無視することでセンサーのアドミタンスを計算することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
14. 生成された電圧測定および電流測定に基づき、センサーを流れる電流の位相角およびセンサーのインピーダンスを決定することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
15. センサーを流れる電流の位相角に対する位相角補正値を計算することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 位相角から位相角補正値を差し引いた値が所定の位相角ウィンドウ以内に収まるようにコンデンサ素子を調整することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 物体のコンダクタンスを決定するための制御器であって、
    プロセッサと
    プロセッサに結合された記憶装置であって、
    プロセッサによって実行可能な位相角計算機モジュールが
    センサーを流れる電流を代表する電流測定を受け取る、
    センサーを通る電圧を代表する電圧測定を受け取る、
    電流測定および電圧測定に基づきセンサーを流れる電流の位相角を計算する、
    プロセッサによって実行可能なインピーダンス計算機モジュールが
    電流測定を受け取る、
    電圧測定を受け取る、
    電流測定および電圧測定に基づきセンサーのインピーダンスを計算する、
    計算された位相角および計算されたインピーダンスに基づきセンサーのアドミタンスを計算するための、プロセッサによって実行可能なアドミタンス計算機モジュールと、
    計算されたセンサーのアドミタンスに基づき物体のコンダクタンスを決定するための、プロセッサによって実行可能なコンダクタンス計算機モジュールを含む複数のプログラムモジュールを保管する記憶装置と
    を含む制御器。
18. プロセッサがセンサーを流れる電流の位相角に対する位相角補正値を計算するように設定された、請求項１７に記載の制御器。
19. 位相角から位相角補正値を差し引いて調整された位相角値を得る、
    センサーのインピーダンスおよび調整された位相角値に基づきセンサーのアドミタンスを計算する、
    ためのアドミタンス計算機モジュールがプロセッサによって実行可能な、請求項１８に記載の制御器。
20. センサーが共振状態ではない中で物体のコンダクタンスを決定するように制御器が設定された、請求項１９に記載の制御器。