JP2019035699A - 付着物測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象の構造に対する影響が少なく、不定の誘電率を有する付着物を検出可能な付着物測定装置及び付着物測定方法を提供する。【解決手段】付着物測定装置は、中心電極と、中心電極と隣接する少なくとも１つのサブ電極と、前記少なくとも１つのサブ電極と隣接するガード電極と、中心電極及びガード電極に交流電圧を印加可能な電源と、を備える。中心電極及びガード電極に対する少なくとも１つのサブ電極の複数の前記接続状態において中心電極で検出される電流の比に基づいて前記付着物の厚さを算出する。【選択図】図６

Description

本開示は壁面上に付着した付着物の厚さを測定するための付着物測定装置に関する。

微粒子状の物質が浮遊する雰囲気に接する壁面や、表面を物質（固体や液体）が流動する壁面では、時間の経過に伴って、その表面に物質が付着することがある。このような付着物は、壁面を有する設備の本来の特性を劣化させる要因となるため、その付着状態を監視することが求められる。付着物の監視は目視によって行われてもよいが、付着程度を定量化したり、目視による監視が困難な環境では、センサを用いて行われることが好ましい。

例えば特許文献１では、壁面上の付着物を対象にしたものではないが、キャパシタを利用した物質検出の一例が開示されている。この文献では、一対の電極から構成されるキャパシタの静電容量が電極間に存在する誘電率に依存する特性を利用しており、キャパシタの静電容量を検出することで、静電容量に対応する液面レベルを検出する液面レベルセンサが開示されている。

実開昭６２−１６７１２２号公報

上記特許文献１のように対向配置された一対の電極からなるキャパシタを用いる手法では、検出対象となる物質が電極間に存在する必要がある。そのため、壁面上に付着する付着物を検出するためには、キャパシタを構成する一対の電極の少なくとも一方を空間側に突出するように配置しなければならい。これは、測定対象に構造上の制約をもたらすこととなってしまう。

また特許文献１では、検出対象の誘電率が既知であり、且つ、一定である場合には、キャパシタの静電容量に基づいたレベルの特定が可能であるが、誘電率が一定ではなかったり、未知の誘電率を有する物質を検出対象とする場合、測定ができない。

本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、測定対象の構造に対する影響が少なく、不定の誘電率を有する付着物を検出可能な付着物測定装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る付着物測定装置は上記課題を解決するために、壁面上に付着した付着物の厚さを測定するための付着物測定装置であって、前記壁面上の空間に面する中心電極と、前記空間に面し、且つ、前記中心電極と電気的に絶縁されて隣接する少なくとも１つのサブ電極と、前記空間に面し、且つ、前記少なくとも１つのサブ電極と電気的に絶縁されて隣接するガード電極と、前記中心電極及び前記ガード電極に交流電圧を印加可能な電源と、前記中心電極及び前記ガード電極に対する前記少なくとも１つのサブ電極の接続状態を選択的に切替可能な切替部と、前記中心電極を流れる電流を検出する電流検出部と、を備え、前記中心電極及び前記ガード電極に対する前記少なくとも１つのサブ電極の複数の前記接続状態において前記電流検出部でそれぞれ検出された電流の比に基づいて前記付着物の厚さを算出する。

上記（１）の構成によれば、互いに電気的に絶縁されて隣接する中心電極、サブ電極及びガード電極間の接続状態を切り替えることで、これら電極が接地点である壁面との間に生じる電気力線の伝播距離を電気的に可変に構成できる。これにより、装置の物理的構造を変更することなく電気的な切替操作によって、電流検出部では壁面上に存在する付着物の厚さに応じた電流が得られる。本構成では、このような複数の接続状態における電流の比が付着物の誘電率に依存しない性質を有するという知見を見出すことにより、不定の誘電率を有する付着物についても厚さ測定が可能となった。また、このような構成を有する付着物測定装置は既存の電流計や電源を利用することで導入が可能であるため、コスト的にも有利である。

（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記少なくとも１つのサブ電極は単一の前記サブ電極であり、前記サブ電極が前記中心電極に接続された第１接続状態において前記電流検出部で検出される第１電流と、前記サブ電極が前記ガード電極に接続された第２接続状態において前記電流検出部で検出される第２電流との比に基づいて前記付着物の厚さを算出する。

上記（２）の構成によれば、第１接続状態において中心電極及びサブ電極と壁面との間に生じる電気力線に基づく第１電流と、第２接続状態において中心電極と壁面との間に生じる電気力線に基づく第２電流との比を求めることにより、不定の誘電率を有する付着物について精度よく厚さ測定が可能となる。

（３）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記少なくとも１つのサブ電極は、前記中心電極に電気的に絶縁されて隣接する第１サブ電極と、前記第１サブ電極に電気的に絶縁されて隣接する第２サブ電極とを含み、前記第１サブ電極及び前記第２サブ電極が前記中心電極に接続された第１接続状態において前記電流検出部で検出される第１電流と、前記第１サブ電極が前記中心電極に接続され、且つ、前記第２サブ電極が前記ガード電極に接続された第２接続状態において前記電流検出部で検出される第２電流と、前記第１サブ電極及び前記第２サブ電極が前記ガード電極に接続された第３接続状態において前記電流検出部で検出される第３電流と、のいずれかの比に基づいて前記付着物の厚さを算出する。

上記（３）の構成によれば、２つのサブ電極を備えることにより、前述の（２）の構成より多い、３種類の接続状態が切替可能である。そして、これら接続状態における電流の各比は、付着物の厚さに対してそれぞれ所定の感度を有することから、所望の要求感度に応じた組み合わせで比を選択することで、好適な測定が可能となる。

（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、前記中心電極は前記ガード電極によって少なくとも部分的に囲まれる。

上記（４）の構成によれば、ガード電極が中心電極を少なくとも部分的に囲むように形成されているため、中心電極からの電気力線はガード電極を避けるように壁面上の空間を迂回する伝播経路を形成する。

（５）幾つかの実施形態では上記（４）の構成において、前記ガード電極及び前記サブ電極は、前記第１電極を中心として同心円状に配置される。このとき、中心が一致すること、および、断面が円状であることは必須ではない。

上記（５）の構成によれば、ガード電極及びサブ電極が中心電極を中心とする同心円状に配置されることで、装置構造に起因する寄生容量の影響を抑え、精度のよい測定が可能となる。

（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、前記中心電極、前記サブ電極及び前記ガード電極は前記壁面と面一に形成される。

上記（６）の構成によれば、中心電極、サブ電極及びガード電極は壁面と面一に形成されるため、測定対象の構造への影響が少なく済む。例えば高温高圧の環境下では、空間を規定する壁面から構造物が突出することが好ましくない場合があるが、本構成では、このような要求に対して好適に対応できる。このとき、厳密に面一に形成される必要はなく、センサの特性を調整する方法として段差を与えることも有効である。また、表面形状および表面性状を調整するために、電極表面に誘電体を設けることも可能である。

（７）本発明の少なくとも一実施形態に係る付着物測定装置は上記課題を解決するために、壁面上に付着した付着物の厚さを測定するための付着物測定装置であって、前記壁面上の空間に面する中心電極と、前記空間に面し、且つ、前記中心電極と電気的に絶縁されて前記中心電極を囲むガード電極と、前記空間に面し、且つ、前記ガード電極の外側に前記ガード電極と電気的に絶縁されて隣接するサブ電極と、前記中心電極及び前記ガード電極に交流電圧を印加可能な電源と、前記ガード電極に対する前記サブ電極の接続状態を選択的に切替可能な切替部と、前記中心電極を流れる電流を検出する電流検出部と、を備え、前記ガード電極は、前記中心電極と前記サブ電極との間に位置する第１領域が、前記第１領域を除く第２領域と異なる幅を有し、前記ガード電極に対する前記サブ電極の複数の前記接続状態において前記電流検出部でそれぞれ検出された電流の比に基づいて前記付着物の厚さを算出する。

上記（７）の構成によれば、互いに電気的に絶縁されて隣接する中心電極、サブ電極及びガード電極間の接続状態を切り替えることで、これら電極が接地点である壁面との間に生じる電気力線の伝播距離を電気的に可変に構成できる。特にガード電極は、中心電極とサブ電極との間に位置する第１領域が、第１領域を除く第２領域と異なる幅を有するため、接続状態を切り替えた際に電気力線の伝播距離を電気的に変化させることができる。これにより、装置の物理的構造を変更することなく電気的な切替操作によって、電流検出部では壁面上に存在する付着物の厚さに応じた電流が得られる。このような複数の接続状態における電流の比が付着物の誘電率に依存しない性質を有するという知見を見出すことにより、不定の誘電率を有する付着物についても厚さ測定が可能となった。また、このような構成を有する付着物測定装置は既存の電流計や電源を利用することで導入が可能であるため、コスト的にも有利である。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る付着物測定装置は上記課題を解決するために、壁面上に付着した付着物の厚さを測定するための付着物測定装置であって、前記壁面上の空間に面する第１中心電極と、前記空間に面し、且つ、前記第１中心電極と電気的に絶縁されて前記第２中心電極を囲む第１ガード電極と、前記第１中心電極及び前記第１ガード電極に交流電圧を印加可能な第１電源と、前記第１中心電極及び前記第１ガード電極に対する前記電源の接続状態を選択的に切替可能な第１切替部と、前記第１中心電極を流れる電流を検出する第１電流検出部と、前記空間に面し、且つ、前記第１ガード電極の外側に前記ガード電極と電気的に絶縁されて隣接する第２ガード電極と、前記空間に面し、且つ、前記第２ガード電極によって囲まれる第２中心電極と、前記第２中心電極及び前記第２ガード電極に交流電圧を印加可能な第２電源と、前記第２中心電極及び前記第２ガード電極に対する前記第２電源の接続状態を選択的に切替可能な第２切替部と、前記第２中心電極を流れる電流を検出する第２電流検出部と、を備え、前記第１中心電極、前記第１ガード電極、前記第２中心電極及び前記第２ガード電極の異なる接続状態において前記第１電流検出部及び前記第２電流検出部でそれぞれ検出された電流の比に基づいて前記付着物の厚さを算出する。

上記（８）の構成によれば、互いに電気的に絶縁されて隣接する第１中心電極、第１ガード電極、第２中心電極及び第２ガード電極間の接続状態を切り替えることで、これら電極が接地点である壁面との間に生じる電気力線の伝播距離を電気的に可変に構成できる。本構成では上述の構成に比べて、より多くの接続状態への切替が可能である。これら接続状態における電流の各比は、付着物の厚さに対してそれぞれ所定の感度を有することから、所望の要求感度に応じた組み合わせの比を選択することで好適な測定が可能となる。

（９）幾つかの実施形態では上記（８）の構成において、前記第１中心電極と前記第２中心電極は所定方向に沿って配列されている。

上記（９）の構成によれば、所定方向に沿った異なる地点における付着物の厚さが測定できる。そのため、異なる地点における測定結果を用いることで、例えば付着物が壁面上を移動する流動体である場合には、移動速度や脈動などの動的特性の測定も可能となる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、測定対象の構造に対する影響が少なく、不定の誘電率を有する付着物を検出可能な付着物測定装置及び付着物測定方法を提供できる。

前提技術に係る付着物測定装置の内部構成を示す断面図である。 図１の付着物測定装置の動作時に生じる電気力線を示す模式図である。 付着物の厚さがｔ１である場合の電気力線の様子を示す模式図である。 付着物の厚さがｔ２である場合の電気力線の様子を示す模式図である。 付着物の厚さとキャパシタの静電容量との関係を示す測定結果である。 第１実施形態に係る付着物測定装置の内部構成を示す断面図である。 図６の付着物測定装置の接続状態Ｓ１における電位分布を簡略的に示す模式図である。 図６の付着物測定装置の接続状態Ｓ２における電位分布を簡略的に示す模式図である。 図６の付着物測定装置における付着物の厚さと静電容量との関係を示す測定結果である。 第２実施形態に係る付着物測定装置の内部構成を示す断面図である。 図１０の付着物測定装置における付着物の厚さと静電容量との関係を示す測定結果である。 第３実施形態に係る付着物測定装置の内部構成を示す断面図である。 第４実施形態に係る付着物測定装置の内部構成を示す断面図である。 図１３の付着物測定装置の各接続状態を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

＜前提技術＞
はじめに本発明の少なくとも１実施形態に係る付着物測定装置１’の前提技術について説明する。この前提技術は、以下に説明するように、本願発明者の鋭意研究によって得られた知見に基づくものである。

図１は前提技術に係る付着物測定装置１’の内部構成を示す断面図である。付着物測定装置１’は、壁面２上に付着した付着物を測定するためのセンサである。壁面２は、例えば、微粒子状の物質が浮遊する雰囲気に接する壁面や、表面を物質（固体や液体）が流動する壁面であり、その表面には時間の経過に伴って付着物が生じる。また壁面２は接地されている。

付着物測定装置１’は、壁面２に開口された穴部３に嵌め込まれることにより、壁面２上に存在する空間４に向けて測定面６が露出するように配置されている。図１の例では、測定面６は壁面２の表面と面一に形成されることにより空間４側に突出しない形状を有しており、空間４側への構造上の影響をもたらさないようになっているが、空間４側への影響が許容される限りにおいて、測定面６は少なからず突出するように構成されていてもよい。また、表面形状および表面性状を調整するために、電極表面に誘電体を設けることも可能である。
尚、図１では、壁面２（測定面６）上には測定対象となる厚さｔの付着物２２が存在している場合が例示されている。

付着物測定装置１’は、当該装置の外殻を規定するケーシング８を有しており、その側方が壁面２に開口された穴部３に嵌め込まれることにより固定されている。ケーシング８の内側には、測定面６に露出するように配置された複数の電極（中心電極１０及びガード電極１２）が絶縁層によって隔離されて収容されている。
尚、絶縁層の厚さは任意でよいが、装置サイズを小さく抑えるために努めて薄くするとよい。

付着物測定装置１’は、基準軸Ｃを中心とする同心円状の構造を有しており、その中心に中心電極１０が配置されている。中心電極１０は略円柱形状を有しており、測定面６を除く周囲を絶縁層１４によって囲まれている。中心電極１０の一部は絶縁層１４を貫通することで外部に露出しており、外部から電気的に接続可能に構成されている。
尚、ガード電極１２の外側には絶縁層１６を介してケーシング８が配置されている。

中心電極１０の外側には絶縁層１４を介してガード電極１２が配置されている。ガード電極１２は基準軸Ｃを中心とする略円筒形状を有しており、中心電極１０と同心状に配置されている。このように中心電極１０はガード電極１２によって少なくとも部分的に囲まれるため、中心電極１０からの電気力線はガード電極１２を避けるように壁面２上の空間を迂回する伝播経路を形成する。特にガード電極１２は、中心電極１０を中心として同心円状に配置されることで、装置構造に起因する寄生容量の影響を抑え、精度のよい測定が可能となる。
尚、ガード電極１２は、測定面６と反対側においてケーシング８の開口部８ａから外部に露出することにより、外部から電気的に接続可能に構成されている。

中心電極１０及びガード電極１２はそれぞれリード線Ｌ１、Ｌ２を介して、電源１８に対して並列に接続されている。これにより、中心電極１０とガード電極１２とは互いに同電位に保持される。またリード線Ｌ１には電流計である電流検出部２０が直列に配置されており、中心電極１０に流れる電流値が検出可能になっている。
尚、リード線Ｌ１，Ｌ２は寄生容量の影響を抑えるため、同軸ケーブルを用いるとよく、またリード線Ｌ１，Ｌ２間の静電容量が努めて小さくなるように設計されるとよい。

図２は図１の付着物測定装置１’の動作時に生じる電気力線を示す模式図である。中心電極１０及びガード電極１２は上述のように電源１８によって同電位に保持されるため、接地された壁面２との間に電気力線Ｅが生じる。ここで互いに隣接する壁面２とガード電極１２との間の電気力線Ｅ１は壁面２に対して最短距離をとるように生じるが、壁面２と中心電極１０との間に生じる電気力線Ｅ２は、ガード電極１２を避けて測定面６から空間４側に染み出すように迂回するように生じる。その結果、中心電極１０と壁面２との間には、所定の静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅを有するキャパシタが形成される。このような静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅは、電源１８の印加電圧と、電流検出部２０で検出される電流値に基づいて測定可能である。

ここで測定面６上の付着物２２とキャパシタの静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅとの関係について説明する。図３は付着物２２の厚さがｔ１である場合の電気力線Ｅ２の様子を示す模式図であり、図４は付着物２２の厚さがｔ２（＞ｔ１）である場合の電気力線Ｅ２の様子を示す模式図である。図３では付着物２２の厚さｔが比較的小さいｔ１であるため、電気力線Ｅ２が付着物２２を通過する範囲が狭くなり、静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅもまた小さくなる。一方、図４では付着物２２の厚さｔ２が比較的大きいため、電気力線Ｅ２が付着物２２を通過する範囲が広くなり、静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅもまた大きくなる。このように静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅは付着物２２の厚さｔに依存する。

図５は付着物２２の厚さｔとキャパシタの静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅとの関係を示す測定結果である。図５に示されるように、静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅは、付着物２２の厚さｔが増加するに従って単調に増加し、所定値に漸近する傾向がある。

また静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅは、付着物２２を通過する電気力線Ｅ２の伝播距離（この場合は中心電極１０と壁面２との距離）である特性距離ｄ_Ｓ−Ｅにも依存する。図５では、異なる特性距離ｄ_Ｓ−Ｅを有する付着物測定装置１’における測定結果がそれぞれ示されており、特性距離ｄ_Ｓ−Ｅが大きくなると静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅの収束値が大きくなり、一方で特性距離ｄ_Ｓ−Ｅが小さくなると、より小さな厚さｔで静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅが収束する傾向が示されている。つまり、特性距離ｄ_Ｓ−Ｅが大きくなると、付着物２２の厚さｔに対して静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅが変化する範囲が広くなる。

また静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅが一定値に収束する領域では、付着物２２の誘電率と電極形状のみに依存した静電容量が得られる。そのため、特性距離ｄ_Ｓ−Ｅが小さい場合には、広い範囲にわたって付着物２２の厚さｔに依存しない静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅが得られる。

＜第１実施形態＞
続いて上述の前提技術を参考に、第１実施形態に係る付着物測定装置１について説明する。図６は第１実施形態に係る付着物測定装置１の内部構成を示す断面図である。尚、上述の前提技術に対応する箇所には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。

付着物測定装置１は、中心電極１０とガード電極１２との間に、少なくとも１つのサブ電極２４を有する。第１実施形態では１つのサブ電極２４を有しており、サブ電極２４は中心電極１０に対して絶縁層２６を介して隣接するとともに、ガード電極１２に対して絶縁層２８を介して隣接するように配置されている。またサブ電極２４は、中心電極１０及びガード電極１２と同様に、一端側が測定面６に対して露出している。

サブ電極２４は、中心電極１０と同様に、ガード電極１２によって少なくとも部分的に囲まれる。特に本実施形態では、サブ電極２４はガード電極１２と同様に、中心電極１０を中心として同心円状に配置されることで、装置構造に起因する寄生容量の影響を抑え、精度のよい測定が可能となる。

またサブ電極２４にはリード線Ｌ３が接続されている。リード線Ｌ３は、中心電極１０に接続されたリード線Ｌ１及びガード電極１２に接続されたリード線Ｌ２に対して接続／切断を選択的に切り替え可能な切替部３０を介して接続されている。

切替部３０の切り替えによって、リード線Ｌ３がリード線Ｌ１に接続された接続状態Ｓ１と、リード線Ｌ３がリード線Ｌ２に接続された接続状態Ｓ２とのいずれかが選択される。図７は図６の付着物測定装置１の接続状態Ｓ１における電位分布を簡略的に示す模式図であり、図８は図６の付着物測定装置１の接続状態Ｓ２における電位分布を簡略的に示す模式図である。
尚、図７及び図８では、簡略化のためケーシング８より下方の構成は図示を省略している。

接続状態Ｓ１では、図７に示されるように、サブ電極２４はガード電極１２に電気的に接続されるため、サブ電極２４は中心電極１０とは異なる電位となる。そのため、電気力線Ｅ２は中心電極１０から壁面２に向けて生じ、中心電極１０と壁面２との間に静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅ、特性距離ｄ_Ｓ−Ｅを有するキャパシタが形成される。

一方、接続状態Ｓ２では、図８に示されるように、サブ電極２４は中心電極１０に電気的に接続されるため、中心電極１０とサブ電極とは等電位となる。そのため、電気力線Ｅ２は中心電極１０及びサブ電極２４から壁面２に向けて生じ、中心電極１０及びサブ電極２４と壁面２との間に静電容量Ｃ_Ｇ１−Ｅ、特性距離ｄ_Ｇ１−Ｅを有するキャパシタが形成される。

このように接続状態Ｓ１及びＳ２は、異なる特性距離ｄを有する。すなわち、本実施形態では、切替部３０による切替操作によって、付着物測定装置１の物理的構造を変化させることなく、キャパシタの特性距離ｄを２段階にわたって電気的に可変に構成されている。

図９は、図６の付着物測定装置１における付着物２２の厚さｔと静電容量との関係を示す測定結果である。図９では、接続状態Ｓ１に対応する静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅ、接続状態Ｓ２に対応する静電容量Ｃ_Ｇ１−Ｅがグラフ中の最大値で規格化されて示されており、それに加えて、両者の比Ｓ１／Ｓ２が併せて示されている。

上述したように、接続状態Ｓ２の特性距離ｄ_Ｇ１−Ｅは接続状態Ｓ１の特性距離ｄ_Ｓ−Ｅより小さいため、静電容量Ｃ_Ｇ１−Ｅは静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅより大きな収束値を有し、またより小さいな厚さｔで収束する振る舞いを示している。また比Ｓ１／Ｓ２は、付着物２２の厚さｔが小さな領域でピークを示し、その後、付着物２２の厚さｔに対して単調に増加し、一定値に収束する振る舞いを示している。

このように比Ｓ１／Ｓ２は十分に厚さｔが大きい範囲では、付着物２２の誘電率に依存しない一定値を有する。そのため、付着物測定装置１の電極（中心電極１０、サブ電極２４及びガード電極１２）の形状に応じて厚さと比Ｓ１／Ｓ２との関係を校正しておけば、温度等により付着物２２の誘電率が変化した場合であっても、精度よく付着物２２の厚さｔを計測することができる。例えば、比Ｓ１／Ｓ２と付着物２２の厚さｔとの関係を予め実験的、理論的又はシミュレーション的な手法で取得しておき、測定結果と比較することで、実測値である比Ｓ１／Ｓ２に対応する付着物２２の厚さｔが得られる。

以上説明したように第１実施形態によれば、互いに電気的に絶縁されて隣接する中心電極１０、サブ電極２４及びガード電極１２間の接続状態を切り替えることで、これら電極が接地点である壁面２との間に生じる電気力線の伝播距離を電気的に可変に構成できる。これにより、装置の物理的構造を変更することなく電気的な切替操作によって、電流検出部２０では壁面２上に存在する付着物２２の厚さｔに応じた電流が得られる。本構成では、このような複数の接続状態における電流の比が付着物２２の誘電率に依存しない性質を有するという知見を見出すことにより、不定の誘電率を有する付着物２２についても厚さ測定が可能となった。また、このような構成を有する付着物測定装置１は既存の電流計や電源を利用することで導入が可能であるため、コスト的にも有利である。

＜第２実施形態＞
続いて第２実施形態に係る付着物測定装置１について説明する。図１０は第２実施形態に係る付着物測定装置１の内部構成を示す断面図である。尚、上述の前提技術及び第１実施形態に対応する箇所には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。

付着物測定装置１は、中心電極１０とガード電極１２との間に、少なくとも１つのサブ電極２４を有する。第２実施形態では複数のサブ電極２４を有しており、図１０では特に、第１サブ電極２４ａ及び第２サブ電極２４ｂを有している。第１サブ電極２４ａは中心電極１０に対して絶縁層２６を介して隣接し、第２サブ電極２４ｂは絶縁層２７を介して第１サブ電極２４ａに隣接するとともに、ガード電極１２に対して絶縁層２９を介して隣接するように配置されている。また第１サブ電極２４ａと第２サブ電極２４ｂは、中心電極１０及びガード電極１２と同様に、一端側が測定面６に対して露出している。

第１サブ電極２４ａ及び第２サブ電極２４ｂもまた、中心電極１０と同様に、ガード電極１２によって少なくとも部分的に囲まれる。特に本実施形態では、第１サブ電極２４ａ及び第２サブ電極２４ｂはガード電極１２と同様に、中心電極１０を中心として同心円状に配置されることで、装置構造に起因する寄生容量の影響を抑え、精度のよい測定が可能となる。

また第１サブ電極２４ａにはリード線Ｌ４が接続されており、第２サブ電極２４ｂにはリード線Ｌ５が接続されている。リード線Ｌ４、Ｌ５は、中心電極１０に接続されたリード線Ｌ１及びガード電極１２に接続されたリード線Ｌ２に対して接続／切断を選択的に切り替え可能な切替部３０を介して接続されている。

接続状態Ｓ１では、第１サブ電極２４ａ及び第２サブ電極２４ｂはガード電極１２に電気的に接続されるため、電気力線Ｅ２は中心電極１０から壁面２に向けて生じ、中心電極１０と壁面２との間に静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅ、特性距離ｄ_Ｓ−Ｅを有するキャパシタが形成される。この場合、中心電極１０から出た電気力線は、第１サブ電極２４ａ、第２サブ電極２４ｂ及びガード電極１２を避けるように空間４側を迂回し、壁面２に到達する。

接続状態Ｓ２では、第１サブ電極２４ａは中心電極１０に電気的に接続され、第２サブ電極２４ｂはガード電極１２に電気的に接続されるため、電気力線Ｅ２は中心電極１０及び第１サブ電極２４から壁面２に向けて生じ、中心電極１０及び第１サブ電極２４ａと壁面２との間に静電容量Ｃ_Ｇ１−Ｅ、特性距離ｄ_Ｇ１−Ｅを有するキャパシタが形成される。この場合、中心電極１０及び第１サブ電極２４ａから出た電気力線は、第２サブ電極２４ｂ及びガード電極１２を避けるように空間４側を迂回し、壁面２に到達する。このときキャパシタの特性距離ｄ_Ｇ１−Ｅは、上述のｄ_Ｓ−Ｅにくらべて小さくなる。

接続状態Ｓ３では、第１サブ電極２４ａ及び第２サブ電極２４ｂは中心電極１０に電気的に接続されるため、電気力線Ｅ２は中心電極１０、第１サブ電極２４ａ及び第２サブ電極２４ｂから壁面２に向けて生じ、中心電極１０、第１サブ電極２４ａ及び第２サブ電極２４ｂと壁面２との間に静電容量Ｃ_Ｇ２−Ｅ、特性距離ｄ_Ｇ２−Ｅを有するキャパシタが形成される。この場合、中心電極１０、第１サブ電極２４ａ及び第２サブ電極２４ｂから出た電気力線は、ガード電極１２を避けるように空間４側を迂回し、壁面２に到達する。このときキャパシタの特性距離ｄ_Ｇ２−Ｅは、上述の特性距離ｄ_Ｇ１−Ｅにくらべて更に小さくなる。

このように接続状態Ｓ１、Ｓ２及びＳ３は、異なる特性距離ｄを有する。すなわち、本実施形態では、切替部３０による切替操作によって、付着物測定装置１の物理的構造を変化させることなく、キャパシタの特性距離ｄを３段階にわたって電気的に可変に構成されている。

図１１は、図１０の付着物測定装置１における付着物２２の厚さｔと静電容量との関係を示す測定結果である。図１１では、接続状態Ｓ１に対応する静電容量Ｃ_Ｓ−Ｅ、接続状態Ｓ２に対応する静電容量Ｃ_Ｇ１−Ｅ、及び、接続状態Ｓ３に対応する静電容量Ｃ_Ｇ２−Ｅに加えて、両者の比Ｓ１／Ｓ２が併せて示されている。

ここで本実施形態では第１実施形態と同様に、付着物２２の厚さｔを比Ｓ１／Ｓ２に基づいて求めることができるが、比Ｓ２／Ｓ３又はＳ３／Ｓ１に基づいて求めてもよい。ここで比Ｓ１／Ｓ２、Ｓ２／Ｓ３及びＳ３／Ｓ１は、上述したようにそれぞれ異なる接続状態Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に対応するため、厚さに対して異なる感度を有する。そのため、測定条件として要求される感度に応じて、比Ｓ１／Ｓ２、Ｓ２／Ｓ３及びＳ３／Ｓ１のいずれかを用いて付着物２２の厚さｔを求めるとよい。例えば、Ｓ３、Ｓ２、Ｓ１の順に付着物２２の厚さｔに対して早く収束する特性があるため、Ｓ２／Ｓ３とすることで中間的な厚さに対して、付着物２２の誘電率に依存しない特性となり、Ｓ１／Ｓ３とすることでより厚い付着物２２に対して適した特性となる。また、厚さ方向に付着物の誘電率が変化する場合に適用することでより適切な厚さを取得することができる。
また比Ｓ１／Ｓ２、Ｓ２／Ｓ３及びＳ３／Ｓ１を複数用いて、例えばそれらの平均を算出することで付着物２２の厚さｔを求めてもよい。

以上説明したように第２実施形態によれば、２つのサブ電極を備えることにより、前述の第１実施形態より多い、３種類の接続状態が切替可能である。そして、これら接続状態における電流の各比は、付着物の厚さに対してそれぞれ所定の感度を有することから、所望の要求感度に応じた組み合わせで比を選択することで、好適な測定が可能となる。

＜第３実施形態＞
続いて第３実施形態に係る付着物測定装置１について説明する。図１２は第３実施形態に係る付着物測定装置１の内部構成を示す断面図である。尚、上述の前提技術及び各実施形態に対応する箇所には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。

付着物測定装置１は、基準軸Ｃに中心電極１０が配置されている。中心電極１０は略矩形状を有しており、測定面６を除く周囲を絶縁層１４によって囲まれている。中心電極１０の一部は絶縁層１４を貫通することで外部に露出しており、外部から電気的に接続可能に構成されている。

中心電極１０の外側には絶縁層１４を介してガード電極１２が配置されている。ガード電極１２は測定面６を除いて中心電極１０を囲むように構成されており、測定面６と反対側においてケーシング８の開口部８ａから外部に露出することにより、外部から電気的に接続可能に構成されている。

ガード電極１２の外側には絶縁層１６を介してサブ電極４０が配置されている。サブ電極４０は一部が空間４に面するとともに、その反対側が絶縁層１６を貫通することで外部に露出し、外部から電気的に接続可能に構成されている。

中心電極１０及びガード電極１２はそれぞれリード線Ｌ１、Ｌ２を介して、電源１８に対して並列に接続されている。これにより、中心電極１０とガード電極１２とは互いに同電位に保持される。またリード線Ｌ１には電流計である電流検出部２０が直列に配置されており、中心電極１０に流れる電流値が検出可能になっている。

またサブ電極４０は、切替部４２を有するリード線Ｌ６を介してガード電極１２に接続されている。切替部４２はリード線Ｌ６のガード電極１２に対する接続状態を切り替えるためのスイッチ回路である。

切替部４２によってガード電極１２とサブ電極が電気的に接続された接続状態Ｓ１では、中心電極１０と、サブ電極４０の反対側の壁面２との間に生じる電気力線によって静電容量Ｃ_２−Ｅ、特性距離ｄ_２−Ｅを有するキャパシタが形成される。一方、切替部４２によってガード電極１２とサブ電極が電気的に切断された接続状態Ｓ２では、中心電極１０とサブ電極４０との間に生じる電気力線によって静電容量Ｃ_０−Ｇ、特性距離ｄ_０−Ｇを有するキャパシタが形成される。

ここで図１２に示されるように、中心電極１０を囲むガード電極１２は、中心電極１０とサブ電極４０との間に位置する第１領域Ｒ１が、第１領域Ｒ１を除く第２領域Ｒ２と異なる幅を有する。そのため、接続状態Ｓ１における特性距離ｄ_２−Ｅと接続状態Ｓ２における特性距離ｄ_０−Ｇが異なる。その結果、接続状態Ｓ１におけるキャパシタの静電容量Ｃ_２−Ｅと接続状態Ｓ２におけるキャパシタの静電容量Ｃ_０−Ｇも異なる。

このようにして本実施形態においても、切替部３０による切替操作によって、付着物測定装置１の物理的構造を変化させることなく、キャパシタの特性距離ｄを２段階にわたって電気的に可変に構成されている。そのため、第１実施形態において図９を参照して上述したように、接続状態Ｓ１に対応する静電容量Ｃ_２−Ｅ、接続状態Ｓ２に対応する静電容量Ｃ_０−Ｇの比Ｓ１／Ｓ２に基づいて、付着物２２の厚さｔを測定することができる。

以上説明したように第３実施形態によれば、互いに電気的に絶縁されて隣接する中心電極１０、サブ電極４０及びガード電極１２間の接続状態を切り替えることで、これら電極が接地点である壁面との間に生じる電気力線の伝播距離を電気的に可変に構成できる。特にガード電極１２は、中心電極１０とサブ電極４０との間に位置する第１領域Ｒ１が、第１領域Ｒ１を除く第２領域Ｒ２と異なる幅を有するため、接続状態を切り替えた際に電気力線の伝播距離を電気的に変化させることができる。これにより、装置の物理的構造を変更することなく電気的な切替操作によって、電流検出部２０では壁面上に存在する付着物の厚さに応じた電流が得られる。このような複数の接続状態における電流の比が付着物２２の誘電率に依存しない性質を有するという知見を見出すことにより、不定の誘電率を有する付着物２２についても厚さ測定が可能となった。また、このような構成を有する付着物測定装置１は既存の電流計や電源を利用することで導入が可能であるため、コスト的にも有利である。

＜第４実施形態＞
続いて第４実施形態に係る付着物測定装置１について説明する。図１３は第４実施形態に係る付着物測定装置１の内部構成を示す断面図である。尚、上述の前提技術及び各実施形態に対応する箇所には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。

付着物測定装置１は、基準軸Ｃ１を中心とする第１中心電極１０が配置されている。第１中心電極１０は略矩形状を有しており、測定面６を除く周囲を絶縁層１４によって囲まれている。第１中心電極１０の一部は絶縁層１４を貫通することで外部に露出しており、外部から電気的に接続可能に構成されている。

第１中心電極１０の外側には絶縁層１４を介して第１ガード電極１２が配置されている。第１ガード電極１２は測定面６を除いて第１中心電極１０を囲むように構成されており、測定面６と反対側においてケーシング８の開口部８ａから外部に露出することにより、外部から電気的に接続可能に構成されている。

第１ガード電極１２の外側には絶縁層１６を介して第２ガード電極５０が配置されている。第２ガード電極５０は一部が空間４に面するとともに、その反対側が絶縁層１６を貫通することで外部に露出し、外部から電気的に接続可能に構成されている。そして第２ガード電極５０の内側には、絶縁層５１を介して、基準軸Ｃ２を中心とする第２中心電極５２が配置されている。第２中心電極５２もまた一部がケーシング８から外部に露出することにより、外部から電気的に接続可能に構成されている。

第１中心電極１０及び第１ガード電極１２はそれぞれリード線Ｌ１、Ｌ２を介して、第１電源１８に対して並列に接続されている。これにより、第１中心電極１０と第１ガード電極１２とは互いに同電位に保持される。またリード線Ｌ１には電流計である第１電流検出部２０が直列に配置されており、第１中心電極１０に流れる電流値が検出可能になっている。

一方、第２中心電極５２及び第２ガード電極５０はそれぞれリード線Ｌ７、Ｌ８を介して、第２交流電源５４に対して並列に接続されている。これにより、第２中心電極５２と第２ガード電極５０とは互いに同電位に保持される。またリード線Ｌ７には電流計である第２電流検出部５６が直列に配置されており、第２中心電極５２に流れる電流値が検出可能になっている。

また図１３では図示が省略されているが本実施形態でも上述の他の実施形態と同様に、電極間に形成されるキャパシタの特性距離及び静電容量を電気的に切り替えることが可能に構成されている。図１４は図１３の付着物測定装置１の各接続状態を示す模式図である。
尚、図１４では、第１中心電極１０、第１ガード電極１２、第２中心電極５２及び第２ガード電極５０のうち、第１電源１８又は第２電源５４によって交流電圧が印加された電極を濃いハッチングで区別して示している。

図１４（ａ）は接続状態Ｓ１を示している。接続状態Ｓ１では、第１中心電極１０及び第１ガード電極１２が第１電源１８によって所定電位に保持され、第２中心電極５２及び第２ガード電極５０は第２電源５６から切断されている。この場合、測定面６上に形成されるキャパシタは特性距離ｄ１、静電容量Ｃ１を有する。

図１４（ｂ）は接続状態Ｓ２を示している。接続状態Ｓ２では、第１中心電極１０及び第１ガード電極１２が第１電源１８から切断されており、第２中心電極５２及び第２ガード電極５０は第２電源５６によって所定電位に保持されている。この場合、測定面６上に形成されるキャパシタは特性距離ｄ２、静電容量Ｃ２を有する。

図１４（ｃ）は接続状態Ｓ３を示している。接続状態Ｓ３では、第１中心電極１０及び第１ガード電極１２は第１電源１８によって所定電位に保持されており、第２中心電極５２及び第２ガード電極５０は第２電源５６によって所定電位に保持されている。この場合、測定面６上に形成されるキャパシタは、第１電流検出部２０で検出された電流に基づくと、特性距離ｄ３、静電容量Ｃ３を有する。

図１４（ｄ）は接続状態Ｓ４を示している。接続状態Ｓ４では、接続状態Ｓ３と同様に、第１中心電極１０及び第１ガード電極１２は第１電源１８によって所定電位に保持されており、第２中心電極５２及び第２ガード電極５０は第２電源５６によって所定電位に保持されている。この場合、測定面６上に形成されるキャパシタは、第２電流検出部５６で検出された電流に基づくと、特特性距離ｄ４、静電容量Ｃ４を有する。

このようにして本実施形態においても、切替部３０による切替操作によって、付着物測定装置１の物理的構造を変化させることなく、キャパシタの特性距離ｄを複数段階にわたって電気的に可変に構成されている。そのため、第１実施形態において図９を参照して上述したように、本実施形態においても接続状態Ｓ１〜Ｓ４を切り替えることで、各測定結果の比に基づいて、付着物２２の厚さｔを測定することができる。

特に本実施形態では、上述の他の実施形態に比べて各電極や絶縁層の寸法を調整することで、各接続状態における特性距離を異ならせることが容易である。そのため、特性距離を好適に調整することで、測定感度の設計を幅広く行うことができる。図１３の例では、第１中心電極１０と第２中心電極５２のサイズを互いに異ならせることで、各接続状態における特性距離が有効に変化するように設計されている。

このように本実施形態では、第１中心電極１０、第１ガード電極１２を含む左半分の構成と、第２中心電極５２、第２ガード電極５０を含む右半分の構成とを有しており、実質的に第３実施形態に係る付着物測定装置を所定方向に沿って２つ並べた構成となっている。すなわち、第１中心電極１０と第２中心電極５２とが所定方向に並んでいるため、略同等の装置が並んで配置された構成を有しているとみなせる。そのため、壁面２上における異なる位置における付着物２２の厚さが測定できる。その結果、異なる地点における測定結果を用いることで、例えば付着物２２が壁面２上を移動する流動体である場合には、移動速度や脈動などの動的特性の測定も可能となる。

以上説明したように第４実施形態によれば、互いに電気的に絶縁されて隣接する第１中心電極１０、第１ガード電極１２、第２中心電極５２及び第２ガード電極５０間の接続状態を切り替えることで、これら電極が接地点である壁面との間に生じる電気力線の伝播距離を電気的に可変に構成できる。本構成では上述の構成に比べて、より多くの接続状態への切替が可能である。これら接続状態における電流の各比は、付着物２２の厚さに対してそれぞれ所定の感度を有することから、所望の要求感度に応じた組み合わせの比を選択することで好適な測定が可能となる。

本発明は壁面上に付着した付着物の厚さを測定するための付着物測定装置に利用可能である。

１ 付着物測定装置
２ 壁面
３ 穴部
４ 空間
６ 測定面
８ ケーシング
８ａ 開口部
１０ 中心電極（第１中心電極）
１２ ガード電極（第１ガード電極）
１４，１６，２６，２７，２８，２９，５１ 絶縁層
１８ 電源（第１電源）
２０ 電流検出部（第１電流検出部）
２２ 付着物
２４，４０ サブ電極
２４ａ 第１サブ電極
２４ｂ 第２サブ電極
３０，４２ 切替部
５０ 第２ガード電極
５２ 第２中心電極
５４ 第２交流電源
５６ 第２電流検出部
５６ 第２電源

Claims (9)

1. 壁面上に付着した付着物の厚さを測定するための付着物測定装置であって、
   前記壁面上の空間に面する中心電極と、
   前記空間に面し、且つ、前記中心電極と電気的に絶縁されて隣接する少なくとも１つのサブ電極と、
   前記空間に面し、且つ、前記少なくとも１つのサブ電極と電気的に絶縁されて隣接するガード電極と、
   前記中心電極及び前記ガード電極に交流電圧を印加可能な電源と、
   前記中心電極及び前記ガード電極に対する前記少なくとも１つのサブ電極の接続状態を選択的に切替可能な切替部と、
   前記中心電極を流れる電流を検出する電流検出部と、
   を備え、
   前記中心電極及び前記ガード電極に対する前記少なくとも１つのサブ電極の複数の前記接続状態において前記電流検出部でそれぞれ検出された電流の比に基づいて前記付着物の厚さを算出する、付着物測定装置。
2. 前記少なくとも１つのサブ電極は単一の前記サブ電極であり、
   前記サブ電極が前記中心電極に接続された第１接続状態において前記電流検出部で検出される第１電流と、前記サブ電極が前記ガード電極に接続された第２接続状態において前記電流検出部で検出される第２電流との比に基づいて前記付着物の厚さを算出する、請求項１に記載の付着物測定装置。
3. 前記少なくとも１つのサブ電極は、
   前記中心電極に電気的に絶縁されて隣接する第１サブ電極と、
   前記第１サブ電極に電気的に絶縁されて隣接する第２サブ電極と
   を含み、
   前記第１サブ電極及び前記第２サブ電極が前記中心電極に接続された第１接続状態において前記電流検出部で検出される第１電流と、前記第１サブ電極が前記中心電極に接続され、且つ、前記第２サブ電極が前記ガード電極に接続された第２接続状態において前記電流検出部で検出される第２電流と、前記第１サブ電極及び前記第２サブ電極が前記ガード電極に接続された第３接続状態において前記電流検出部で検出される第３電流と、のいずれかの比に基づいて前記付着物の厚さを算出する、請求項１に記載の付着物測定装置。
4. 前記中心電極は前記ガード電極によって少なくとも部分的に囲まれる、請求項１から３のいずれか一項に記載の付着物測定装置。
5. 前記ガード電極及び前記サブ電極は、前記第１電極を中心として同心円状に配置される、請求項４に記載の付着物測定装置。
6. 前記中心電極、前記サブ電極及び前記ガード電極は前記壁面と面一に形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の付着物測定装置。
7. 壁面上に付着した付着物の厚さを測定するための付着物測定装置であって、
   前記壁面上の空間に面する中心電極と、
   前記空間に面し、且つ、前記中心電極と電気的に絶縁されて前記中心電極を囲むガード電極と、
   前記空間に面し、且つ、前記ガード電極の外側に前記ガード電極と電気的に絶縁されて隣接するサブ電極と、
   前記中心電極及び前記ガード電極に交流電圧を印加可能な電源と、
   前記ガード電極に対する前記サブ電極の接続状態を選択的に切替可能な切替部と、
   前記中心電極を流れる電流を検出する電流検出部と、
   を備え、
   前記ガード電極は、前記中心電極と前記サブ電極との間に位置する第１領域が、前記第１領域を除く第２領域と異なる幅を有し、
   前記ガード電極に対する前記サブ電極の複数の前記接続状態において前記電流検出部でそれぞれ検出された電流の比に基づいて前記付着物の厚さを算出する、付着物測定装置。
8. 壁面上に付着した付着物の厚さを測定するための付着物測定装置であって、
   前記壁面上の空間に面する第１中心電極と、
   前記空間に面し、且つ、前記第１中心電極と電気的に絶縁されて前記第２中心電極を囲む第１ガード電極と、
   前記第１中心電極及び前記第１ガード電極に交流電圧を印加可能な第１電源と、
   前記第１中心電極及び前記第１ガード電極に対する前記電源の接続状態を選択的に切替可能な第１切替部と、
   前記第１中心電極を流れる電流を検出する第１電流検出部と、
   前記空間に面し、且つ、前記第１ガード電極の外側に前記ガード電極と電気的に絶縁されて隣接する第２ガード電極と、
   前記空間に面し、且つ、前記第２ガード電極によって囲まれる第２中心電極と、
   前記第２中心電極及び前記第２ガード電極に交流電圧を印加可能な第２電源と、
   前記第２中心電極及び前記第２ガード電極に対する前記第２電源の接続状態を選択的に切替可能な第２切替部と、
   前記第２中心電極を流れる電流を検出する第２電流検出部と、
   を備え、
   前記第１中心電極、前記第１ガード電極、前記第２中心電極及び前記第２ガード電極の異なる接続状態において前記第１電流検出部及び前記第２電流検出部でそれぞれ検出された電流の比に基づいて前記付着物の厚さを算出する、付着物測定装置。
9. 前記第１中心電極と前記第２中心電極は所定方向に沿って配列されている、請求項８に記載の付着物測定装置。

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