JP2017187376A - 電界検知出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電界強度や方向を、簡便に精度よく計測して出力し、利用者がそれを容易に把握可能とするために、装置全体の小型化を実現し、簡便性、速報性、精度、非侵襲性に優れた電界検知出力装置を提供する。【解決手段】電界内に挿入されることにより電界強度や方向を表示するための電界検知出力装置１は、略正方形の平板電極である上部電極２ａ及び下部電極２ｂと、この上部電極２ａ及び下部電極２ｂに誘起された電荷により生じる交流電流を検出する仮想接地型電流検出器３と、検知対象の強度に応じて発光する個数が変化する２つのＬＥＤ７と、仮想接地型電流検出器３及びＬＥＤ７を駆動させるための電池４とを備えている。上部電極２ａ及び下部電極２ｂに電荷が誘起されると、検知対象の数値または強度、及び方向に応じて２つのＬＥＤ７の発光する個数が変化するので、利用者は電界強度を容易に把握することが可能になる。【選択図】図１

Description

本発明は、不可視である電界強度や方向などを、簡便に精度よく計測して検出し、その検出結果を光に変換して出力するための、簡便性、速報性、精度、非侵襲性に優れ、不可視な物理量及び化学活性度を簡便に把握することが可能な電界検知出力装置に関する。

昨今、電界を利用する技術や機器、電界の発生を伴う技術や機器が、広範に使用されている。また、静電気や雷などの自然現象によっても強い電界が発生する。ところが、電界のような不可視な物理量及び化学活性度は、専門家や熟練者であっても、対象の電界を迅速かつ正確に把握することは容易ではない。技術や機器の利用者などであって、電界について専門的な知識を有していない者にとっては、対象の電界を理解し想像することも困難である。例えば、絶縁された人体に高電圧を与え、人体の周囲に形成された電界による生体刺激作用を利用して治療を行う電位治療装置において、被治療者が人体の周囲に電界が形成されていることを認知することは困難である。

電界強度や方向を計測するための方法として、例えば、電界を検知可能なプローブを用い、金属のプローブが金属製ケーブルを介して検出系に接続される電界測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この電界測定装置は、侵襲性を抑圧するために、電気光学結晶から成るプローブ先端部を光検出系に光ファイバケーブルで接続し、プローブ部の先端部を電界に挿入して、電界検知や測定を行うものである。ここで、侵襲性とは、外的要因によって被計測電界が乱される性質をいうものとする。

また、基準とする点の電位を測定して基準電位とし、任意の測定対象近傍の１点について基準電位との差（電圧）を測定してそれを２点間の距離で割った値を電界とし、その形成された電界を検知して知らせる検電器が知られている（例えば、特許文献２参照。）。この検電器は、電界の有無を判別するものである。

しかしながら、金属プローブは、電界に挿入した場合に被計測電界がプローブやケーブルによって乱されてしまい、高い侵襲性が発現する。そのため、本願発明者は、平板状の電極の間に複数のＬＥＤ等による出力手段を備えた電界検知出力装置を提案した（例えば、特許文献３参照。）。この電界検知出力装置は、電界により電極に電荷が誘起されて電極間に電流が流れると、その電流の電流値を仮想接地型電流検出機により検出し、その電流値に応じて点灯させるＬＥＤの個数を変更させることにより、電界の強度を表示したものである。

特開２０１２−０５３０１７号公報 特許第４５６２５８７号公報 ＷＯ２０１５／１１１６５６号公報

ところで、特許文献１に記載の電界測定装置は、侵襲性が低減されるものの、構成が複雑であり、装置が大型化するために携帯が困難であり、簡便性を有していないものである。また、特許文献２に記載の検電器は、電界の有無を判別するものであり、電界を精度よく測定して強度を把握することが出来ないものである。さらに、特許文献３に記載の電界検知出力装置は、１辺が数ｃｍ程度のカード型の大きさであり、計測対象の電界が数ｃｍ程度の距離で変化すると、十分な計測精度が得られない場合がある。しかしながら、電極面積を縮小して空間分解能を向上させようとすると、電極の辺の長さと電極間距離との比（アスペクト比）を保ちながら装置全体を小型化する必要がある。

そこで本発明は、電界強度や方向を、簡便に精度よく計測して出力し、利用者がそれを容易に把握可能とするために、電極の辺の長さと電極間距離とのアスペクト比を保ちながら装置全体の小型化を実現し、簡便性、速報性、精度、非侵襲性に優れ、空間分解能に優れた電界検知出力装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、略平行に配設された平板状の２つの電極と、前記２つの電極の間に配設され、前記２つの電極周辺の電界によって前記電極に電荷が誘起された際に生じる電流を検出する仮想接地型電流検出器と、前記２つの電極の間に配設され、前記電流に基づいて発光する発光手段と、前記２つの電極の間に配設され、前記２つの電極、前記発光装置駆動回路および前記発光手段に電力を供給する電源と、を備え、前記２つの電極のうちの少なくとも１つは、前記仮想接地型電流検出器が設置されている回路基板の裏面に形成されている、ことを特徴とする電界検知出力装置である。

この発明では、電界によって電極に電荷が誘起されると、２つの電極の間に電流が流れるので、仮想接地型電流検出器がこの電流を検知する。発光手段は、仮想接地型電流検出器が電極電流を検知しそれがある閾値に達していると判別されると発光する。２つの電極のうちの少なくとも１つは、仮想接地型電流検出器が設置されている回路基板の裏面に形成されている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電界検知出力装置において、前記発光手段は、側面放射型発光ダイオードである、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれか１項に記載の電界検知出力装置において、前記電源は、任意形状に形成することが可能な薄型電池である、ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電界検知出力装置において、前記仮想接地型電流検出器を構成する回路基板を備え、前記回路基板は、多層基板により形成されている、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、２つの電極のうちの少なくとも１つは、仮想接地型電流検出器が形成されている回路基板の裏面に形成されているため、電極の辺の長さと、２つの電極の間の距離とのアスペクト比を保ちながら装置全体を小型化することができる。そのため、電界内での装置による非侵襲性が維持されることにより、従来の電界検知出力装置と比較して分解能が向上するので、簡便性、速報性、精度、非侵襲性に優れた電界検知出力装置を実現することが可能になる。

請求項２に記載の発明によれば、発光装置は、側面放射型発光ダイオードであるため、ＬＥＤ光を電極外に放射するための光学系が不要となり、２つの電極の間の距離を小さくすることが可能になる。そのため、電極の辺の長さと、２つの電極の間の距離とのアスペクト比を保ちながら装置全体のさらなる小型化が可能になる。

請求項３に記載の発明によれば、電源が任意形状に形成することが可能な薄型電池であるため、２つの電極間に生じる空隙を埋めることが出来るので、電極面積を縮小することが可能になる。また、薄型電池にすることにより、２つの電極の間の距離を圧縮することが可能になる。そのため、電極の辺の長さと、２つの電極の間の距離とのアスペクト比を保ちながら装置全体のさらなる小型化が可能になる。

請求項４に記載の発明によれば、多層基板により形成されている回路基板を備えたため、回路構成要素を効率的に詰め込むことが可能となる。また、表面実装形式の部品を用いることにより、下面電極がフラットになるので、部品のいわゆる「足」による干渉を防止できる。

この発明の実施の形態１に係る電界検知出力装置１の概略を示す図であり、電界検知出力装置１の外観を示す斜視図（ａ）、電界検知出力装置１の機能を示すブロック構成図（ｂ）、及び電界検知出力装置１のＬＥＤが点灯する際の電極電流の設定値を示す表（ｃ）である。 図１の電界検知出力装置１を電界方向に対して垂直方向に挿入した状態を示す概略図である。 図１の電界検知出力装置１を電界方向に対して斜め方向に挿入した状態を示す概略図である。 図１の電界検知出力装置１を電界方向に対して平行方向に挿入した状態を示す概略図である。 この発明の実施の形態２に係る電界検知出力装置１Ａの上部電極２ａが外された状態を示す斜視図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１ないし図４は、この発明の実施の形態１を示しており、図１は、電界検知出力装置１の外観を示す斜視図（ａ）、電界検知出力装置１の機能を示すブロック構成図（ｂ）、及び電界検知出力装置１のＬＥＤが点灯する際の電極電流の設定値を示す表（ｃ）である。この発明の実施の形態１に係る電界検知出力装置１は、電界内に挿入されることによって、電界強度を発光手段の発光により表示するための装置である。

この電界検知出力装置１は、図１（ａ）に示すように、主として、電極２と、ＬＥＤ（発光手段）６１，６２と、回路基板１０とを有している。また、電界検知出力装置１の機能ブロック構成は、図１（ｂ）に示すように、電極２と、仮想接地型電流検出器３と、電池（電源）４と、ＬＥＤ制御回路５と、ＬＥＤ６１，６２とから構成され、仮想接地型電流検出器３と、ＬＥＤ制御回路５とが回路基板１０内に形成され、電池４が収納可能に形成されている。

電極２は、図１（ａ）に示すように、対向して略平行に配設された２枚の電極であり、上部電極２ａと、下部電極２ｂとから構成されており、電極間隔ｄ、電極面積ｓに設定されて形成されている。上部電極２ａは、略正方形の平板電極であり、下部電極２ｂは、上部電極２ａに対して略平行に配設され、上部電極２ａと略同じ面積の回路基板１０の裏面側に形成された金属膜である。この上部電極２ａ及び下部電極２ｂの大きさ（電極間隔ｄ、電極面積ｓ）及び形状は、検知対象の空間等の制約に応じて設定され、その大きさ及び形状に応じてＬＥＤ６１，６２、及び回路基板１０を収容可能になるように選択して決定している。具体的には、例えば、長さＬが数１０ｃｍに対して、電極間隔ｄは数ｍｍ以下に設定される。また、電極面積ｓは、計測対象の電界が一定値と見なされ得る面積Ｓに対して十分小さく、例えば、面積Ｓが数１０ｃｍ^２に対して、略１ｃｍ^２程度に設定される。

仮想接地型電流検出器３は、図１（ｂ）に示すように、上部電極２ａ及び下部電極２ｂに電荷が誘起された際に生じる交流電流を検出するものであり、上部電極２ａ及び下部電極２ｂに信号線によって接続され、仮想接地特性を有するアンプと検出器とにより構成されている。仮想接地型電流検出器３の入力端子には、導線により上部電極２ａ及び下部電極２ｂに接続されているため、電界検知出力装置１を電界内に静置すると、上部電極２ａと下部電極２ｂとにはそれぞれ異なる極性の電荷が誘起され、その際に生じる電流を検出するようになっている。このとき、仮想接地型電流検出器３の仮想接地特性により、上部電極２ａと下部電極２ｂとの間には電位差を生じないので、電界検知出力装置１は電極間隔ｄに電極の厚さを加えた厚さの金属板として動作しているとみなすことができる。仮想接地型電流検出器３は、検出した電流値を、ＬＥＤ制御回路５に出力するようになっている。

ここで、仮想接地特性とは、オペアンプ（オペレーショナル・アンプリファイア、Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）が有する特性であり、非反転入力（＋）と反転入力（−）の入力端子の電圧が常に等しい、すなわち、同電位となることである。つまり、仮想接地型電流検出器３の入力端子（非反転入力（＋）と反転入力（−））には、上部電極２ａ及び下部電極２ｂに接続された導線が接続されているので、上部電極２ａと下部電極２ｂとの間には電位差を生じない。

仮想接地型電流検出器３は、測定する電界が交流である場合は、電界の実効値を以下の式によって算出する。ここで、Ｉ_ｒｍｓは電流の実効値、ｆは周波数、εは誘電率、ｓは電極面積、Ｅ_ｒｍｓは電界強度実効値である。すなわち、算出された電流の実効値Ｉ_ｒｍｓと、電界強度実効値Ｅ_ｒｍｓは比例する。

電池４は、図１（ｂ）に示すように、仮想接地型電流検出器３及びＬＥＤ制御回路５に電力を供給するものであり、例えば、ボタン型電池で構成されている。

ＬＥＤ制御回路５は、仮想接地型電流検出器３によって検出された電流値に基づき、ＬＥＤ６１，６２の発光／無発光を制御するための制御装置であり、例えば、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）により構成されている。

ＬＥＤ６１，６２は、仮想接地型電流検出器３によって検出された電流値に基づいて発光する単色型の発光装置であり、例えば、２つのＬＥＤ６１，６２を備えている。このＬＥＤ６１，６２は、例えば、仮想接地型電流検出器３によって検出された電流値がゼロ〜所定値の場合、ＬＥＤ６１，６２は発光せず、仮想接地型電流検出器３によって検出された電流値が所定値より大きい場合、電流値の大きさ、すなわち、電界強度に応じて、ＬＥＤ６１のみが発光、ＬＥＤ６１，６２の両方が発光というように、発光するＬＥＤの個数が変化するようになっている。

具体的には、図１（ｃ）に示すように、電極２が検知した入力電流が０ｎＡのとき、ＬＥＤ６１，６２は発光しない。電極２が検知した入力電流が徐々に大きくなり、８ｎＡに達したとき、ＬＥＤ６１のみが発光する。さらに入力電流が大きくなって１６ｎＡになると、ＬＥＤ６１，６２の両方が発光する。このようにＬＥＤ６１，６２を制御することで、電界の有無や、検出された電界強度を認知することができるようになっている。

回路基板１０は、図１（ｂ）に示す仮想接地型電流検出器３及びＬＥＤ制御回路５を構成する平板状の基板であり、上部電極２ａ及び下部電極２ｂに接続されている信号線を貫通させるための貫通ビアが設けられている。この回路基板１０は、多層基板により形成されているので、回路構成要素を効率的に詰め込むことが可能となる。また、表面実装形式の部品を用いることにより、下面電極がフラットになるので、部品のいわゆる「足」による干渉を防止できる。

次に、この電界検知出力装置１の使用方法及び作用について説明する。

図２は、図１の電界検知出力装置１を、電界電極２０ａ，２０ｂによって形成される電界の電界方向に対して垂直方向に挿入した状態を示す概略図である。図３は、図１の電界検知出力装置１を、電界電極２０ａ，２０ｂによって形成される電界方向に対して斜め方向に挿入した状態を示す概略図である。さらに、図４は、図１の電界検知出力装置１を、電界電極２０ａ，２０ｂによって形成される電界方向に対して平行方向に挿入した状態を示す概略図である。ここで、電界電極２０ａ，２０ｂは、それぞれ平板で構成されており、２枚の電界電極２０ａ，２０ｂが所定角度を成すように配設されている。また、電界電極２０ａと２０ｂとの間の矢印は、電界方向を示している。

利用者が電界方向をすでに把握している場合、利用者は、図２に示すように、電界電極２０ａ，２０ｂによって形成される電界内に電界検知出力装置１を電界方向に対して垂直方向に挿入して静置する。このとき、上部電極２ａ及び下部電極２ｂに電荷が誘起された際に生じる電流が、仮想接地型電流検出器３によって検出される。この仮想接地型電流検出器３によって検出された電流値に基づいて、ＬＥＤ制御回路５の制御によりＬＥＤ６１のみ、またはＬＥＤ６１，６２の両方が発光するので、利用者は、このときに発光しているＬＥＤの個数により電界強度を把握できる。

また、利用者が電界方向を把握していない場合、例えば、図３に示すように、利用者が電界電極２０ａ，２０ｂによって形成される電界内に電界検知出力装置１を電界方向に対して斜め方向に挿入して静置すると、上部電極２ａ及び下部電極２ｂに電荷が誘起された際に生じる電流が、仮想接地型電流検出器３によって検出されるが、異なる極性の電荷を誘起させる電気力線が傾きに応じて減ずるので、生じる電流は電界検知出力装置１を図２に示す向きとした場合よりも小となる。そのため、例えば、電界検知出力装置１を図２に示す向きに挿入した場合に、ＬＥＤ６１，６２の両方が発光していたとすると、電界検知出力装置１を図３に示す向きに挿入した場合、例えば、ＬＥＤ６１のみが発光する。そのため、利用者は、このときに発光しているＬＥＤの個数により、電界強度が弱いことを把握できる。また、その場で電界検知出力装置１を動かすことにより、ＬＥＤ６１，６２の発光している個数が変化するので、その変化により電界方向を把握できる。

また、例えば、図４に示すように、利用者が電界電極２０ａ，２０ｂによって形成される電界内に電界検知出力装置１を電界方向に対して平行方向に挿入して静置すると、上部電極２ａ及び下部電極２ｂの静置方向が電界方向と一致するので電荷が誘起されないため、仮想接地型電流検出器３によって電流は検出されない。そのため、ＬＥＤ６１，６２は無発光状態のままとなる。そのため、利用者は、ＬＥＤ６１，６２の無発光状態により、電界方向が上部電極２ａ及び下部電極２ｂの静置方向と一致することを把握できる。これにより、電界を検知して発光した状態を光学映像に重ねて一画面上の図として表示、記録をする可視化装置として使用することも可能となる。

なお、本願発明者は、図２に示すような電界方向に対して垂直方向に電界検知出力装置１を設置した場合、電極２の幅と略同一の分解能があり、図４に示すような電界方向に対して平行方向に電界検知出力装置１を設置した場合、電極２の幅に対して約２〜３倍の分解能があることを、電界検知出力装置１による電界検知結果より確認した。

以上のように、この電界検知出力装置１によれば、電界内に電界検知出力装置１が挿入されると、上部電極２ａ及び下部電極２ｂに電荷が誘起され、これにより発生する電流が仮想接地型電流検出器３によって検出されると、ＬＥＤ６１，６２が電界の電界強度に基づいてこの中のいずれか又は全てが発光するので、その発光している個数により、電界強度を容易に把握することができる。そのため、電極の辺の長さと、２つの電極の間の距離とのアスペクト比を保ちながら電界検知出力装置１の装置全体を小型化することで、電界内での装置による非侵襲性が維持されることにより、従来の電界検知出力装置と比較して分解能が向上するので、簡便性、速報性、精度、非侵襲性に優れた電界検知出力装置を実現することが可能になる。

なお、この電界検知出力装置１では、２つのＬＥＤ６１，６２が電界強度に応じて発光する個数を変化させるように構成したが、２つのＬＥＤ６１，６２をそれぞれ異なる色に発光するＬＥＤとし、電界強度により発光させるＬＥＤを変更しても良い。さらに、ＬＥＤ６１，６２をＲＧＢ−ＬＥＤとして電界強度により異なる色に発光させても良い。

（実施の形態２）
図５は、この発明の実施の形態２に係る電界検知出力装置１Ａの上部電極２ａが外された状態を示す斜視図である。この電界検知出力装置１Ａは、実施の形態２に係る電池４に替えて、任意形状に形成することが可能な薄型電池４Ａを備えている点において、実施の形態１に係る電界検知出力装置１と異なる。薄型電池４Ａは、例えば、フィルム基板上に形成された薄型の電池であり、任意形状に変形することが可能なものである。この発明の実施の形態２では、薄型電池４Ａを、例えば、回路基板１０上の２つのＬＥＤ６１，６２の後方に載置するように配設し電極間の空隙を最小化している。その他の構成、使用方法及び作用については、実施の形態１に係る電界検知出力装置１と同様である。

以上のように、この電界検知出力装置１Ａによれば、任意形状に形成することが可能な薄型電池４Ａを備えたため、２つの電極の間に生じる空隙を埋めることが出来るので、電極面積を縮小することが可能になる。また、薄型電池にすることにより、２つの電極の間の距離を圧縮することが可能になる。そのため、電極の辺の長さと、２つの電極の間の距離とのアスペクト比を保ちながら装置全体のさらなる小型化が可能になる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、電界検知出力装置１の検知対象は電界としたが、検知対象は電界に限られず、電界や磁界、不可視光、音場、放射線、環境物質等の数値または強度、及び方向のような他の物理量及び化学活性度を検知対象とすることが可能である。これは、上部電極２ａ及び下部電極２ｂを検知対象に適したセンサ等に置き換えることにより、他の物理量及び化学活性度を検知対象とすることが可能である。

また、この電界検知出力装置１は上部電極２ａ及び下部電極２ｂを備える構成としたが、いずれか１つを接地電極としても良い。

また、電界検知出力装置１，１Ａでは、２つのＬＥＤ６１，６２を備える構成としたが、３つ以上にしても良い。

さらに、複数の電界検知出力装置１，１Ａをアレイ状に配設し、同時に複数の電界検知出力装置１，１Ａによる電界検知を行っても良い。同時に複数箇所におけるＬＥＤの輝度が観察可能であることにより、電界検知出力装置１，１Ａが配設されたそれぞれの箇所の電界強度が一目で判別可能であるとともに、本願発明の電界検知出力装置１，１Ａを使用することで、従来と比べ単位面積当たりに配置可能な表示装置の数が増えることから、より狭い間隔での判別が可能となる。

以上のように、この発明に係る電界検知出力装置は、例えば、絶縁された人体に高電圧を与え、人体の周囲に形成された電界による生体刺激作用を利用して治療を行う電位治療装置等の電界を生じさせる装置や、電気製品の部品やユニット周辺の電界を検知するための装置、生産ラインにおける静電気の帯電を検知するための装置、医療機器における電界を検知するための装置、学校教育や博物館等で電気を学ぶための教材や設備が発する電界を検知するための装置において、電界が形成されていることを認知するための装置として有用である。

１，１Ａ 電界検知出力装置
２ 電極
２ａ 上部電極
２ｂ 下部電極
３ 仮想接地型電流検出器
４ 電池（電源）
５ ＬＥＤ制御回路
６１，６２ ＬＥＤ（発光手段）
２０ａ，２０ｂ 電界電極

Claims (4)

1. 略平行に配設された平板状の２つの電極と、
   前記２つの電極の間に配設され、前記２つの電極周辺の電界によって前記電極に電荷が誘起された際に生じる電流を検出する仮想接地型電流検出器と、
   前記２つの電極の間に配設され、前記電流に基づいて発光する発光手段と、
   前記２つの電極の間に配設され、前記２つの電極、前記発光装置駆動回路および前記発光手段に電力を供給する電源と、を備え、
   前記２つの電極のうちの少なくとも１つは、前記仮想接地型電流検出器が設置されている回路基板の裏面に形成されている、
   ことを特徴とする電界検知出力装置。
2. 前記発光手段は、側面放射型発光ダイオードである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電界検知出力装置。
3. 前記電源は、任意形状に形成することが可能な薄型電池である、
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の電界検知出力装置。
4. 前記仮想接地型電流検出器を構成する回路基板を備え、
   前記回路基板は、多層基板により形成されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電界検知出力装置。
   

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