JP3987941B2 - 磁気的インピーダンス計測装置 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物に交流磁場を印加し、その応答特性を磁気センサ手段で検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流磁場を印加して、その応答特性を調べるものとして金属探知機が知られている。金属探知機は、サーチコイルから交流磁場を発生させ測定対象物の金属表面に渦電流が発生し、印加した磁場に反発するように磁場が発生する。この磁場はファラディの電磁誘導法則で表せるようにサーチコイルを貫く磁束変化により起電力を変化させるので、この信号変化を計測して、金属の有無を検知している。金属探知機と同じように渦電流を発生させて、鋼管やワイヤロープなどの欠陥を検査する方法などの非破壊検査なども知られている。金属探知機の応用として、このほか、テロ防止や防犯として危険物をもちこまないようにするための金属探知ゲートなどや、食肉や衣服など商品に製造時に紛れ込んだ針などの金属片を検知するものが提案されている。
【０００３】
生体の電気的特性を調べる方法として、皮膚に電極を貼り、微弱な交流電流をしてそのインピーダンスを計測する生体電気インピーダンスがある。この方法を最もよく使われているものに体脂肪計がある。一方、電流を電極からではなく金属探知機のように交流磁場を人体にかけて誘導電流を発生させ、サーチコイルにより検出する方法が磁気的生体インピーダンス法として開示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
これらの検出方法は、全て、サーチコイルとして、印加コイル面に垂直な磁場成分をとらえるサーチコイルが用いられている。このため、検出としては、誘導電流の物質特性による変化から生じる磁気の特性変化をとらえるだけであった。
【０００５】
導電体の電流密度あるいは電気電導率を推定する方法として、磁場により誘導電流を発生させるかあるいは電流を直接流す方法をとり、ベクトルの磁気センサを用いその解析方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
金属材料の欠陥を検査する非破壊検査方法として、渦電流を発生させ、それから発生する磁場を検出コイルによって計測する方法は、渦流探傷試験などとして知られている。この検出コイルの計測する磁場成分は、印加磁場コイルの中心軸に平行成分を検出していた。検出コイルのインピーダンスが測定対象物の材質や距離などに影響を受けることから、印加コイル内に配置した検出コイルとして中心軸に垂直方向の磁場成分を検出するコイルを用いたものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
金属やカーボンファイバによる板材の欠陥を調べるために電流分布をみたものが開示されている（例えば、非特許文献２参照）。この方法では、印加磁場として測定対象物の上で対の極性が少し離れて印加されるようにし、測定対象物にはその両極の間に強く電流が誘起される方法をとり、測定磁場方向としては、印加磁場と同じ方向でそれに垂直な方向での差分を磁気センサとして超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）で計測する方法がとられている。これにより、磁気センサの近くだけに誘導電流を発生させて、測定試料の各計測点で計測した電流を合成して画像化している。
【０００８】
印加コイルではなく、直接生体に電極をとりつけ電流を流し、その電流から発生する磁場をＳＱＵＩＤで検出する方法が開示されている（例えば、非特許文献３参照）。この計測では、測定対象物に対して垂直方向の磁場成分を検出するコイルがとりつけられており、金属探知や磁気的生体インピーダンス法と同様の磁場成分を検出していた。ここで、検出コイルには生体からの磁場以外の磁場が多く入るため、検出コイルにキャンセルコイルを取付けられていた。
【０００９】
また、体の中の電流分布を見る方法が開示されており（例えば、非特許文献４参照）、体表面に水平方向をｘｙ平面としたとき、この水平方向で直交したｘ成分とｙ成分それぞれの磁場成分を検出することによって電流分布が画像化できる。しかし、これは、心筋の電気生理学的現象によって自発的に流れている電流を計測しているものであって、生体に電流を誘起させるものではなく、生体の電気的インピーダンスの変化をみるものではない。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００３−１９９７２３号公報
【特許文献２】
特開平５−２０３６２９号公報
【非特許文献１】
「A Noninvasive Electromagnetic Conductivity Sensor for Biomedical Applications」Lynn W. Hart, et al., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 35, No. 12 (1988) pp. 1011‐1021
【非特許文献２】
「Non-contact SQUID-NDT method using a ferrite core for carbon-fibre composites」Y. Hatsukade, et al., Superconductor Science and Techno1ogy, Vol. 15 (2002) pp. 1728‐1732
【非特許文献３】
「Two‐Dimensional Mapping of Impedance Magnetocardiograms」A. Kandori, et al., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 49, No. 7 (2002) pp. 721728
【非特許文献４】
「Multichannel SQUID system detecting tangential components of the cardiac magnetic field」K. Tsukada, et al., Review of Scientific Instruments, Vol. 66, No. 10 (1995) pp. 5085-5091
【００１１】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
従来の金属探知機の方式は、金属の有無を検知する方法であり、特に測定対象物での電気的な特性であるインピーダンスの局所的な変化をとらえるものでなかった。また磁気的生体インピーダンス法も同様に全体的なインピーダンス変化をとらえていたものであり、インピーダンスの局所的な変化による体のなかの電流分布変化をみることはできなかった。
【００１２】
またベクトル成分を直接計測して、電流源を推定する方法では、計測における様々な妨害因子の除去がされていないため、印加する磁場の影響や、測定対象物から発生する磁場の局所的なインピーダンス特性による位相変化などをとらえることができなかった。
【００１３】
また渦流探傷試験での印加コイル内に水平な成分を検出するコイルを配置したものは、印加コイルと検出コイルが同じ面にあるため、測定対象物に近づいたときは、印加磁場のコイル中心では、磁場強度分布として弱くなるため、渦電流として弱いところだけ計測する問題があった。また、測定対象物全体の電流分布を計測する場合も、印加コイルが検出コイルと同じ面であるため走査して計測すると計測毎に印加している磁場分布が変化する問題があり、測定対象物全体に流れる電流分布を計測することができなかった。
【００１４】
同様に、磁気センサとして、ＳＱＵＩＤを用いた非破壊検査でも局所的に交流磁場を印加して、その部分だけに電流を発生させることを行なっているので、試料全体に電流を誘起させて、その電流分布をみることはできなかった。また印加磁場の信号が磁気センサに入ってくるため、そのキャンセル方法として微分コイルなどを使う必要があった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、可変周波数の交流磁場を発生させる１個の印加コイルと、
該印加コイルを励磁する励磁電源と、
測定対象物によって生じた磁場の直交したベクトル成分（Ｘ，Ｙ）で印加コイル面に平行なベクトル成分を検知する、前記印加コイル面と測定対象物の間に位置している、一組の磁気センサからなる少なくとも１個の磁気センサ手段と、
前記印加コイル面から離間して、前記測定対象物に近接して配置され、前記磁気センサ手段の信号を検出する検出手段と、
該検出手段で検出された検出信号を計測する計測手段と、
を具えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、前記検出手段は、前記測定対象物に接近できるように可動自在に配設されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、前記計測手段で計測された計測信号を解析し、これを画像処理して、表示する表示手段を更に具えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記計測手段の出力から前記印加コイルと同じ周波数の信号を検波するロックインアンプ回路を具えたことを特徴とする。
【００１９】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記ロックインアンプ回路の出力信号により、前記磁気センサ手段の出力の強度と位相変化を解析する解析手段を具えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記測定対象物に流れる誘導電流を画像化する画像化手段を具えるとともに、該画像化手段からの出力を表示する表示手段を具えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、標準電流分布に対する異常電流であることを判定する異常判定手段を具えたことを特徴とする。
【００２２】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記測定対象物を固定するとともに前記印加コイル面に対して平行或いは平行及び垂直方向に移動できる走査手段を設けたことを特徴とする。
【００２３】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記１組の磁気センサ手段を複数個設け、それぞれの磁気センサ手段を等距離に配置したことを特徴とする。
【００２４】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記印加コイル用電源により前記印加コイルに複数の周波数の合成磁場を発生させ、これら複数の周波数それぞれに対して前記ロックインアンプ回路を具えたことを特徴とする。
【００２５】
尚、本発明の磁気的インピーダンス計測装置において、前記印加コイルとともに１対の対向形印加コイルを構成する印加コイルを更に具えてもよく、その場合、１対の対向形印加コイルは、前記測定対象物を前記対向形印加コイルの間に配置する。
【００２６】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記磁気センサ手段は、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス効果センサ、フラックスゲート又は超伝導量子干渉素子であることを特徴とする。
【００２７】
本発明は、磁気的非破壊検査装置において、可変周波数の交流磁場を発生させる１個の印加コイルと、
該印加コイルを励磁する励磁電源と、
測定対象物によって生じた磁場の直交したベクトル成分（Ｘ，Ｙ）で印加コイル面に平行なベクトル成分を検知する、前記印加コイル面と測定対象物の間に位置している、一組の磁気センサからなる少なくとも１個の磁気センサ手段と、
前記印加コイル面から離間して、前記測定対象物に近接して配置され、前記磁気センサ手段の信号を検出する検出手段と、
該検出手段で検出された検出信号を計測する計測手段と、
該計測手段で計測された出力信号を解析し、これを画像処理して、表示する表示手段と、
を具えたことを特徴とする。
【００２８】
本発明は、磁気的非破壊検査装置において、標準電流分布に対する異常電流であることを判定する異常判定手段を具えたことを特徴とする。
【００２９】
本発明は、磁気的非破壊検査装置において、前記測定対象物が、導電性を有する構造体であることを特徴とする。
【００３０】
本発明は、磁気的検査装置において、前記測定対象物が、果物であることを特徴とする果物熟成度の磁気的検査装置である。
【００３１】
本発明は、磁気的検査装置において、前記測定対象物が、人体であることを特徴とする人体疾患の磁気的検査装置である。
【００３２】
本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであって、本発明の第１の形態は、周波数が可変の交流磁場を発生させる印加コイルと印加コイル用電源とを備え、測定対象物によって生じた磁場の直交したベクトル成分で前記印加コイル面に平行なベクトル成分を検知する２つの磁気センサからなる少なくとも一組の磁気センサ手段を設け、前記印加コイル面から離して前記測定対象物に近づけるように配置し、前記磁気センサ手段の検出信号を計測する磁気センサ用計測回路を備え、この磁気センサ用計測回路の出力から前記印加コイルと同じ周波数の信号を検波するロックインアンプ回路を備え、この前記ロックインアンプ回路の出力信号により前記磁気センサ手段の出力の強度と位相変化を解析する解析手段を備えた磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３３】
本発明の第２の形態は、前記印加コイル又は前記一組の磁気センサ手段と前記測定対象物との距離を計測する距離計測手段を設けた磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３４】
本発明の第３の形態は、前記測定対象物を固定するとともに前記印加コイル面に対して平行あるいは平行及び垂直方向に移動できる走査手段を設けた磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３５】
本発明の第４の形態は、前記測定対象物を計測した時の前記磁気センサ手段出力の強度と位相を解析する手段として、前記計測対象物の計測前あるいは計測後に前記計測対象物がないときの前記磁気センサ手段の出力の強度と位相を解析し、前記測定対象物による強度と位相からの変化解析する手段を設けた磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３６】
本発明の第５の形態は、前記印加コイル又は前記１組の磁気センサ手段を複数個設け、それぞれの磁気センサ手段を等距離に配置した磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３７】
本発明の第６の形態は、前記印加コイル用電源により前記印加コイルに複数の周波数の合成磁場を発生させ、これら複数の周波数それぞれに対して前記ロックインアンプ回路を備えた磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３８】
本発明の第７の形態は、前記印加コイルとして１対の対向形印加コイルを設け、前記測定対象物を前記対向形印加コイルの間に配置した磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３９】
本発明の第８の形態は、前記磁気センサは、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス効果センサ、フラックスゲート又は超伝導量子干渉素子である磁気的インピーダンス計測装置である。
【００４０】
本発明の第９の形態は、第１〜８の形態のいずれかの磁気的インピーダンス装置を用いて、前記測定対象物に流れる誘導電流を画像化し、電流分布の異常を判定する磁気的インピーダンス変化判定装置である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の第１の形態によれば、印加コイルにより測定対象物に誘導電流を発生させることができる。ここで、印加コイルの中心軸をｚ軸とし、コイル面を直交したｘ、ｙ軸からなるｘｙ平面とする。この誘導電流からさらに発生した磁場の印加コイル面に平行な磁場のｘおよびｙ成分をそれぞれ検知できる磁気センサで計測する。この接線成分の磁場分布を考えると、電流の直上に接線成分の強度は強くなるので、等価的に接線成分の強度分布は電流分布を反映していることになる。また、誘導電流から発生した磁場は電流の位相と等しい。これらのことから、計測した接線成分の磁場強度と位相からは測定対象物の局所的なインピーダンス特性を反映した信号が得られた。また、周波数を可変にすることができるので各種測定対象物での誘電率や導電率などの周波数変化をとらえることができるのでインピーダンスの周波数変化をとらえることができる。また、印加コイルが作る磁場は印加コイル軸に平行な成分つまりｚ成分が最も強く、逆にｘ、ｙ成分では最も小さくなる。このため、従来印加コイルによって磁気センサにとびこんでくる磁場が測定対象物から発生する磁場よりも非常に大きいため磁気センサの近くに印加コイル磁場をキャンセルするキャンセルコイルを設ける必要があった。しかし、本発明では印加コイル磁場が最も小さいｘ、ｙ成分を計測しているので、キャンセルコイルが不要となり簡単な構成とすることができた。
【００４２】
本発明の第２の形態によれば、測定対象物の磁気応答特性を計測する場合、磁気変化はその印加コイルから測定対象物との距離と、磁気センサから測定対象物との距離によって大きく異なってくる。特に電流分布を計測する場合に、各計測点から磁気センサの距離が変化すると、正確な電流分布を解析することができなくなるが、印加コイルと磁気センサの距離を計測する距離計測手段を設けることにより、より精度の高い電流分布が計測できるようになった。
【００４３】
本発明の第３の形態によれば、測定対象物を移動させることができるので一組の磁気センサでも、測定対象物の電流分布を計測することができる。
【００４４】
本発明の第４の形態によれば、測定対象物の誘導電流から発生する磁場強度が小さい場合でも、精度が高く計測できる。測定対象物がない場合でも磁気センサには環境の磁気雑音や印加磁場が入ってくる。このため、測定対象物からの信号が弱く、雑音と同程度あるいは小さい場合は、大きな誤差が生じる。しかし、あらかじめ計測前あるいは後で測定対象物がないときの磁気センサの出力を計測しておき、測定対象物を測定した磁気センサの出力から得られた磁場ベクトルからないときの磁場ベクトルを差し引くことにより真の磁場ベクトル変化を解析することができる。
【００４５】
さらに本発明の第５の形態によれば、一組の磁気センサ手段を複数個設け、等間隔に配置することによって、測定対象物を移動させることなく、一度に各計測点を同時計測することができるので電流分布の高速計測ができる。
【００４６】
本発明の第６の形態によれば、印加磁場の周波数を変化させて計測せずに複数の周波数の合成磁場を発生させ、磁気センサの出力を複数の周波数で位相検波するから、周波数を切り替えずに２つの周波数に対する測定対象物の磁気応答を同時に計測できる。従って、インピーダンスの周波数特性の計測が格段に高速化できる。
【００４７】
本発明の第７の形態によれば、印加コイルとして１対の対向形印加コイルを設けることにより、測定対象物に対して広い領域で均一な印加磁場分布を与えることができる。従って、測定対象物が大きな面積である場合も均一な磁気信号を得ることができ、測定対象物のインピーダンス特性の局所的な変化を高精度に計測することができる。
【００４８】
さらに本発明の第８の形態によれば、磁気センサとして、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス効果センサ、フラックスゲート又は超伝導量子干渉素子を用いることにより、低周波の交流磁場を印加して磁気応答を検知することができる。好ましくは、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス効果センサ、フラックスゲート又は超伝導量子干渉素子を用いれば、周波数が１ｋＨｚ以下から数Ｈｚ以下までの低周波の交流磁場を印加して測定対象物のインピーダンス特性の局所的な変化を検知することができる。
【００４９】
本発明の第９の形態によれば、第１〜８の形態の磁気検知装置を用いて測定対象物のインピーダンス特性の局所的な変化を高感度で測定できるから、測定対象物に構造欠陥や、疾患による生体組織のインピーダンス変化や、農作物の熟成度や密度の変化などを高精度に判定することができる。
【００５０】
本発明によれば、測定対象物を走査して計測することにより、測定対象物の誘導電流によって発生した磁場の分布を計測し、さらに磁場分布より、誘導電流の分布を解析することができる。
さらに本発明によれば、磁気的インピーダンス装置により、測定対象物に流れる誘導電流を画像化し、電流分布の異常を判定することができる。
【００５１】
また本発明によれば、印加した磁場と垂直な磁場を計測することによって、電流分布を画像化できるので、欠陥部分で生じた局所的な電流分布の変化まで解析でき、欠陥が何処に、どのくらいの大きさであるかを判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、本発明の実施形態を添付する図面を参照して詳細に説明する。
【００５３】
（実施例１）
図１は、本発明による磁気的インピーダンス計測装置の基本構成を示す概略図である。測定対象物８に、印加コイル１によって磁場が印加される。印加コイル用電源２は発信器４によって印加磁場の周波数を変えることができる。この信号で電流源３を駆動し、印加コイル１に交流電流を流す。測定対象物８に印加磁場によって生じた誘導電流が発生し、その誘導電流による磁場が新たに発生する。この誘導電流による磁場を磁気抵抗素子からなる一組の磁気センサ手段５で検出する。ここで、印加コイルのコイル面をｘｙ平面とし、コイルの中心軸をｚ軸とする。一組の磁気センサ手段５には図２に示すようにｘｙ平面に平行な磁場成分Ｂｘ成分とＢｙ成分の２つの直交した磁場成分を計測するＢｘ用磁気センサ１０とＢｙ用磁気センサ１１を設ける。もちろん、磁気センサとして他の磁気インピーダンス効果センサや、フラックスゲート、超伝導量子干渉素子等いずれかを使用することができる。ここで、Ｂｘ用磁気センサ１０とＢｙ用磁気センサ１１それぞれには測定対象物８からの磁場だけでなく地磁気などの環境の磁気雑音が入っており、また印加磁場が磁気センサのところにも入っている。このため、印加磁場の周波数に同期した信号だけをとりだすロックイン検波方式をとることにより、測定対象物８からの磁場だけを検出できるようになる。
【００５４】
図３は、本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置のロックインアンプ部の構成を示す概略図である。各Ｂｘ用磁気センサ１０およびＢｙ用磁気センサ１１は図３に示すように、それぞれの磁気センサ用計測回路６−１及び磁気センサ用計測回路６−２で駆動し、その出力は、ロックインアンプ回路７により検波される。ロックインアンプ回路７では、印加コイルにかけた発信器４に同期した信号だけ検出する。発信器４の信号に対して同相の信号と、９０度位相がずれている信号の２つに分離して検出される。磁気センサ用計測回路６−１の出力は、ロックインアンプ回路７の初段にあるハイパスフィルター１２−１により直流成分をカットした後、アンプ１３−１により増幅される。この後、２つの経路に分岐され、一つは発信器４の信号と同相の信号が位相検波回路１４−１によって検波され、ローパスフィルター１５−１を通り同相出力端子１６−１に出力される。
【００５５】
また、分岐されたもう一つの信号は、発信器からの信号が９０度位相シフト１７−１により位相が９０度ずれた位相検波回路１４−２を通り、ローパスフィルター１５−２を通り９０度位相シフト出力端子１８−１に出力される。このようにして測定対象物８の磁気応答信号を同相の信号と９０度ずれた信号に分離される。この９０度位相の異なる信号に分離することにより、測定対象物のインピーダンス特性の変化による誘導電流の信号の強度と位相変化を読み取ることができる。
【００５６】
（実施例２）
図４は、本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例２の基本構成を示す概略図である。実施例２は、測定対象物８と印加コイル１の位置を判定するために、距離計測手段２０を設けている。この距離計測手段２０の設置場所は印加コイル１の近くでも一組の磁気センサ手段５の近くでも、それぞれに対する距離計測手段８の相対距離が分かっていれば、設置場所はどこでもよい。ここで、距離計測手段としては、レーザ光を用いた距離計を用いた。印加磁場に対する測定対象物８の磁気応答特性は印加コイル１との距離で異なり、またそれを検出する一組の磁気センサ手段５との距離でも信号強度が大きく異なってくる。このため、距離計測手段２０を設けることにより再現性のある計測が実現できる。
【００５７】
（実施例３）
図５は、本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例３の基本構成を示す概略図である。実施例２の装置に、測定対象物用のスキャンニング手段２１をとりつけた構成をしており、距離計測手段により、一組の磁気センサ手段と測定対象物との距離を一定に保ち、測定対象物を走査して計測することができる。この機構により測定対象物の誘導電流によって発生した磁場の分布を計測することができる。さらに磁場分布より誘導電流の分布を解析することができるようになった。
【００５８】
図６はロックイン検波した磁気センサからの出力の基礎的な処理方法を模式化したものである。測定対象物８がないときの磁場センサからの出力をＢａとする。印加コイル１にはインダクタンスがあるため、周波数によって電流源の発信器からの信号から位相αずれる。測定対象物８を計測するとそのインピーダンス特性よりさらに位相がβだけずれる。このときの信号ベクトルをＢｂとすると、測定対象物８の誘導電流から発生した磁場信号ベクトルはＢｓ＝Ｂｂ−Ｂａである。このベクトルを原点に平行移動すると位相角θが分かる。ここで、これらのα、β、θなどの位相角は周波数により変化する。このため、測定前あるいは測定後に測定対象物８がないときの磁場ベクトル強度｜Ｂａ｜と位相角αとを計測しておく。測定対象物がないときの磁場ベクトル強度と位相角と、測定対象物を計測した結果の磁場ベクトルベクトル強度｜Ｂｂ｜と位相角βとから最終的に誘導電流によって発生した磁場信号ベクトル強度｜Ｂｓ｜と位相角θを算出することができる。従来は、キャンセルコイルを用いて測定対象物８がないときに検出する磁場ベクトルは非常に小さくして測定対象物８だけの信号を解析していた。しかし、本解析方法では、測定対象物がないときの磁場ベクトルの情報を得ることにより、キャンセルコイルなしでも測定対象物８の信号が解析できるようになっている。
【００５９】
図７は、本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例３を用い、また前述した図４の解析方法を用いて厚さ１ｍｍで１０ｃｍ×１０ｃｍの銅板を計測し解析した結果を示す。図７は、銅板に流れた誘導電流の電流分布を示している。図中の矢印はスキャンニング装置で測定対象物である銅板を動かして、各点で計測し、解析した結果から電流ベクトルを解析した結果を示している。銅板の信号ベクトルをｘ、ｙ成分に分解するとＢｓ＝｜Ｂｘ｜ｅｘ＋｜Ｂｙ｜ｅｙと書き表すことができる。ここでｅｘとｅｙは、それぞれｘ方向およびｙ方向の単位ベクトルとする。この信号ベクトルから電流はＩＳ∝|Ｂｘ|ｅｙ−|Ｂｙ|ｅｘで表せる。この電流ベクトルＩｓを図７は示している。この図より、銅板での誘導電流の各計測点での電流の向きと大きさを知ることができるようになった。このように解析し、画像化し、表示することができる。
【００５８】
（実施例４）
図８は、本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例４を示す。実施例１〜３では、周波数を切り替えて測定したが、実施例４では、図８に示すように印加コイル用電源２の発信器４で２つの周波数ｆ１とｆ２を同時に発生させ合成した電流波形を印加コイルに供給している。このため、各磁気センサに接続された磁気センサ用計測回路６−３および磁気センサ用計測回路６−４からの出力を２つに分岐させ、周波数ｆ１とｆ２用のロックインアンプ回路をそれぞれ設けている。このため、出力端子としては周波数ｆ１に対して、同相出力端子１６−３と同相出力端子１６−４と９０度位相シフト出力端子１６−５と９０度位相シフト出力端子１６−６の合計４つの信号が同時に得られる。従って、ｘ成分用磁気センサ１０およびｙ成分用磁気センサ１１からなる一組の磁気センサ手段からは合計８つの信号が得られる。これにより周波数を切り替えなくても、測定対象物の周波数変化によるインピーダンス特性変化を計測できる。実施例１〜４においては、印加コイルを一つ用いた検知器を説明したが、測定対象物が大きい場合や、測定対象物に均一な磁場を印加したい場合は、印加磁場のより広い範囲での均一性が求められ、以下に均一な交流磁場を印加可能な実施例を示す。
【００５９】
（実施例５）
図９は、本発明に係る対向形印加コイルを用いた第５実施例形態の基本構成を示す概略図である。実施例５では印加コイルを対向形印加コイル２２−１と対向形印加コイル２２−２の２つを設け、お互いのコイル面が対向するように配置している。これはヘルツホルツコイルとしてよく知られたコイルの組み合わせであるが、これを用いることにより、より大きい測定対象物８を計測することができる。
【００６０】
（実施例６）
図１０は、本発明に係る対向形印加コイルと一組の磁気センサ手段が多数個なるマルチチャンネル磁気センサアレイ２３を用いた実施例６の基本構成を示す概略図である。実施例５では、一組の磁気センサ手段を用いて、スキャンニング装置により測定点を変えていった。しかし、実施例６では一組の磁気センサ手段５を多数個配置することにより測定対象物の各部分での磁気応答が同時計測できるように構成されている。このため、多数の一組の磁気センサ手段５を駆動するためマルチチャンネル用計測回路２４とマルチチャンネル用ロックインアンプ回路２５を設け、同時計測できるようにしている。このように磁気センサ数は、多く配置することによって、測定時間を大幅に短縮できるとともに、過渡的な現象も観察することができるようなった。
【００６１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。
【００６２】
【産業上の利用可能性】
本発明は、測定対象物に交流磁場を印加しそのインピーダンス特性を検出するとともに、誘導電流の分布を画像化する装置に関する。
本発明は、測定対象物に交流磁場を印加しそのインピーダンス特性を磁気センサで検出できる装置に関している。このため、導電性のある構造物での欠陥を検出する非破壊検査装置や、果物等の熟成度や密度を検査する装置や、疾患による人の体の内部のインピーダンス変化などを検査する生体インピーダンス検査装置などとして利用できる。
【００６３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の基本構成を示す概略図である。
【図２】本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例１の一組の磁気センサ手段の計測磁場成分を示す概略図である。
【図３】本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例１のロックインアンプ部の構成を示す概略図である。
【図４】本発明に係る磁気検知装置の実施例２の基本構成を示す概略図である。
【図５】本発明に係る磁気検知装置の実施例３の基本構成を示す概略図である。
【図６】実施例３の計測結果における測定対象物がないときの磁場ベクトルと測定対象物を計測したときの磁場ベクトルの関係図である。
【図７】実施例３の解析結果による測定対象物での電流分布図である。
【図８】２つの周波数を合成した印加磁場を用いた磁気的インピーダンス計測装置の実施例４のロックインアンプ部の構成を示す概略図である。
【図９】本発明に係る対向形印加コイルを用いた第５実施例形態の基本構成を示す概略図である。
【図１０】本発明に係る対向形印加コイルと多数個の磁気センサを用いた実施例６の基本構成を示す概略図である。
【００６４】
【符号の説明】
１ 印加コイル
２ 印加コイル用電源
３ 電流原
４ 発信器
５ 一組の磁気センサ手段
６ 磁気センサ用計測回路
６−１ 磁気センサ用計測回路
６−２ 磁気センサ用計測回路
６−３ 磁気センサ用計測回路
６−４ 磁気センサ用計測回路
７ ロックインアンプ回路
８ 測定対象物
９ 解析手段
１０ Ｂｘ用磁気センサ
１１ Ｂｙ用磁気センサ
１２−１ ハイパスフィルター
１２−２ ハイパスフィルター
１３−１ アンプ
１３−２ アンプ
１４−１ 位相検波回路
１４−２ 位相検波回路
１４−３ 位相検波回路
１４−４ 位相検波回路
１５−１ ローパスフィルター
１５−２ ローパスフィルター
１５−３ ローパスフィルター
１５−４ ローパスフィルター
１６−１ 同相出力端子
１６−２ 同相出力端子
１６−３ 同相出力端子
１６−４ 同相出力端子
１６−５ 同相出力端子
１６−６ 同相出力端子
１７−１ ９０度位相シフト
１７−２ ９０度位相シフト
１８−１ ９０度位相出力端子
１８−２ ９０度位相出力端子
１８−３ ９０度位相出力端子
１８−４ ９０度位相出力端子
１８−５ ９０度位相出力端子
１８−６ ９０度位相出力端子
２０ 距離計測手段
２１ スキャンニング手段
２２−１ 対向形印加コイル
２２−２ 対向形印加コイル
２３ マルチチャンネル磁気センサアレイ
２４ マルチチャンネル用計測回路
２５ マルチチャンネル用ロックインアンプ回路
【０００１】
本発明は、測定対象物に交流磁場を印加し、その応答特性を磁気センサ手段で検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流磁場を印加して、その応答特性を調べるものとして金属探知機が知られている。金属探知機は、サーチコイルから交流磁場を発生させ測定対象物の金属表面に渦電流が発生し、印加した磁場に反発するように磁場が発生する。この磁場はファラディの電磁誘導法則で表せるようにサーチコイルを貫く磁束変化により起電力を変化させるので、この信号変化を計測して、金属の有無を検知している。金属探知機と同じように渦電流を発生させて、鋼管やワイヤロープなどの欠陥を検査する方法などの非破壊検査なども知られている。金属探知機の応用として、このほか、テロ防止や防犯として危険物をもちこまないようにするための金属探知ゲートなどや、食肉や衣服など商品に製造時に紛れ込んだ針などの金属片を検知するものが提案されている。
【０００３】
生体の電気的特性を調べる方法として、皮膚に電極を貼り、微弱な交流電流をしてそのインピーダンスを計測する生体電気インピーダンスがある。この方法を最もよく使われているものに体脂肪計がある。一方、電流を電極からではなく金属探知機のように交流磁場を人体にかけて誘導電流を発生させ、サーチコイルにより検出する方法が磁気的生体インピーダンス法として開示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
これらの検出方法は、全て、サーチコイルとして、印加コイル面に垂直な磁場成分をとらえるサーチコイルが用いられている。このため、検出としては、誘導電流の物質特性による変化から生じる磁気の特性変化をとらえるだけであった。
【０００５】
導電体の電流密度あるいは電気電導率を推定する方法として、磁場により誘導電流を発生させるかあるいは電流を直接流す方法をとり、ベクトルの磁気センサを用いその解析方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
金属材料の欠陥を検査する非破壊検査方法として、渦電流を発生させ、それから発生する磁場を検出コイルによって計測する方法は、渦流探傷試験などとして知られている。この検出コイルの計測する磁場成分は、印加磁場コイルの中心軸に平行成分を検出していた。検出コイルのインピーダンスが測定対象物の材質や距離などに影響を受けることから、印加コイル内に配置した検出コイルとして中心軸に垂直方向の磁場成分を検出するコイルを用いたものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
金属やカーボンファイバによる板材の欠陥を調べるために電流分布をみたものが開示されている（例えば、非特許文献２参照）。この方法では、印加磁場として測定対象物の上で対の極性が少し離れて印加されるようにし、測定対象物にはその両極の間に強く電流が誘起される方法をとり、測定磁場方向としては、印加磁場と同じ方向でそれに垂直な方向での差分を磁気センサとして超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）で計測する方法がとられている。これにより、磁気センサの近くだけに誘導電流を発生させて、測定試料の各計測点で計測した電流を合成して画像化している。
【０００８】
印加コイルではなく、直接生体に電極をとりつけ電流を流し、その電流から発生する磁場をＳＱＵＩＤで検出する方法が開示されている（例えば、非特許文献３参照）。この計測では、測定対象物に対して垂直方向の磁場成分を検出するコイルがとりつけられており、金属探知や磁気的生体インピーダンス法と同様の磁場成分を検出していた。ここで、検出コイルには生体からの磁場以外の磁場が多く入るため、検出コイルにキャンセルコイルを取付けられていた。
【０００９】
また、体の中の電流分布を見る方法が開示されており（例えば、非特許文献４参照）、体表面に水平方向をｘｙ平面としたとき、この水平方向で直交したｘ成分とｙ成分それぞれの磁場成分を検出することによって電流分布が画像化できる。しかし、これは、心筋の電気生理学的現象によって自発的に流れている電流を計測しているものであって、生体に電流を誘起させるものではなく、生体の電気的インピーダンスの変化をみるものではない。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００３−１９９７２３号公報
【特許文献２】
特開平５−２０３６２９号公報
【非特許文献１】
「A Noninvasive Electromagnetic Conductivity Sensor for Biomedical Applications」Lynn W. Hart, et al., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 35, No. 12 (1988) pp. 1011‐1021
【非特許文献２】
「Non-contact SQUID-NDT method using a ferrite core for carbon-fibre composites」Y. Hatsukade, et al., Superconductor Science and Techno1ogy, Vol. 15 (2002) pp. 1728‐1732
【非特許文献３】
「Two‐Dimensional Mapping of Impedance Magnetocardiograms」A. Kandori, et al., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 49, No. 7 (2002) pp. 721728
【非特許文献４】
「Multichannel SQUID system detecting tangential components of the cardiac magnetic field」K. Tsukada, et al., Review of Scientific Instruments, Vol. 66, No. 10 (1995) pp. 5085-5091
【００１１】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
従来の金属探知機の方式は、金属の有無を検知する方法であり、特に測定対象物での電気的な特性であるインピーダンスの局所的な変化をとらえるものでなかった。また磁気的生体インピーダンス法も同様に全体的なインピーダンス変化をとらえていたものであり、インピーダンスの局所的な変化による体のなかの電流分布変化をみることはできなかった。
【００１２】
またベクトル成分を直接計測して、電流源を推定する方法では、計測における様々な妨害因子の除去がされていないため、印加する磁場の影響や、測定対象物から発生する磁場の局所的なインピーダンス特性による位相変化などをとらえることができなかった。
【００１３】
また渦流探傷試験での印加コイル内に水平な成分を検出するコイルを配置したものは、印加コイルと検出コイルが同じ面にあるため、測定対象物に近づいたときは、印加磁場のコイル中心では、磁場強度分布として弱くなるため、渦電流として弱いところだけ計測する問題があった。また、測定対象物全体の電流分布を計測する場合も、印加コイルが検出コイルと同じ面であるため走査して計測すると計測毎に印加している磁場分布が変化する問題があり、測定対象物全体に流れる電流分布を計測することができなかった。
【００１４】
同様に、磁気センサとして、ＳＱＵＩＤを用いた非破壊検査でも局所的に交流磁場を印加して、その部分だけに電流を発生させることを行なっているので、試料全体に電流を誘起させて、その電流分布をみることはできなかった。また印加磁場の信号が磁気センサに入ってくるため、そのキャンセル方法として微分コイルなどを使う必要があった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、可変周波数の交流磁場を発生させる１個の印加コイルと、
該印加コイルを励磁する励磁電源と、
測定対象物によって生じた磁場の直交したベクトル成分（Ｘ，Ｙ）で印加コイル面に平行なベクトル成分を検知する、前記印加コイル面と測定対象物の間に位置している、一組の磁気センサからなる少なくとも１個の磁気センサ手段と、
前記印加コイル面から離間して、前記測定対象物に近接して配置され、前記磁気センサ手段の信号を検出する検出手段と、
該検出手段で検出された検出信号を計測する計測手段と、
を具えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、前記検出手段は、前記測定対象物に接近できるように可動自在に配設されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、前記計測手段で計測された計測信号を解析し、これを画像処理して、表示する表示手段を更に具えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記計測手段の出力から前記印加コイルと同じ周波数の信号を検波するロックインアンプ回路を具えたことを特徴とする。
【００１９】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記ロックインアンプ回路の出力信号により、前記磁気センサ手段の出力の強度と位相変化を解析する解析手段を具えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記測定対象物に流れる誘導電流を画像化する画像化手段を具えるとともに、該画像化手段からの出力を表示する表示手段を具えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、標準電流分布に対する異常電流であることを判定する異常判定手段を具えたことを特徴とする。
【００２２】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記測定対象物を固定するとともに前記印加コイル面に対して平行或いは平行及び垂直方向に移動できる走査手段を設けたことを特徴とする。
【００２３】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記１組の磁気センサ手段を複数個設け、それぞれの磁気センサ手段を等距離に配置したことを特徴とする。
【００２４】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記印加コイル用電源により前記印加コイルに複数の周波数の合成磁場を発生させ、これら複数の周波数それぞれに対して前記ロックインアンプ回路を具えたことを特徴とする。
【００２５】
尚、本発明の磁気的インピーダンス計測装置において、前記印加コイルとともに１対の対向形印加コイルを構成する印加コイルを更に具えてもよく、その場合、１対の対向形印加コイルは、前記測定対象物を前記対向形印加コイルの間に配置する。
【００２６】
本発明は、磁気的インピーダンス計測装置において、前記磁気センサ手段は、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス効果センサ、フラックスゲート又は超伝導量子干渉素子であることを特徴とする。
【００２７】
本発明は、磁気的非破壊検査装置において、可変周波数の交流磁場を発生させる１個の印加コイルと、
該印加コイルを励磁する励磁電源と、
測定対象物によって生じた磁場の直交したベクトル成分（Ｘ，Ｙ）で印加コイル面に平行なベクトル成分を検知する、前記印加コイル面と測定対象物の間に位置している、一組の磁気センサからなる少なくとも１個の磁気センサ手段と、
前記印加コイル面から離間して、前記測定対象物に近接して配置され、前記磁気センサ手段の信号を検出する検出手段と、
該検出手段で検出された検出信号を計測する計測手段と、
該計測手段で計測された出力信号を解析し、これを画像処理して、表示する表示手段と、
を具えたことを特徴とする。
【００２８】
本発明は、磁気的非破壊検査装置において、標準電流分布に対する異常電流であることを判定する異常判定手段を具えたことを特徴とする。
【００２９】
本発明は、磁気的非破壊検査装置において、前記測定対象物が、導電性を有する構造体であることを特徴とする。
【００３０】
本発明は、磁気的検査装置において、前記測定対象物が、果物であることを特徴とする果物熟成度の磁気的検査装置である。
【００３１】
本発明は、磁気的検査装置において、前記測定対象物が、人体であることを特徴とする人体疾患の磁気的検査装置である。
【００３２】
本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであって、本発明の第１の形態は、周波数が可変の交流磁場を発生させる印加コイルと印加コイル用電源とを備え、測定対象物によって生じた磁場の直交したベクトル成分で前記印加コイル面に平行なベクトル成分を検知する２つの磁気センサからなる少なくとも一組の磁気センサ手段を設け、前記印加コイル面から離して前記測定対象物に近づけるように配置し、前記磁気センサ手段の検出信号を計測する磁気センサ用計測回路を備え、この磁気センサ用計測回路の出力から前記印加コイルと同じ周波数の信号を検波するロックインアンプ回路を備え、この前記ロックインアンプ回路の出力信号により前記磁気センサ手段の出力の強度と位相変化を解析する解析手段を備えた磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３３】
本発明の第２の形態は、前記印加コイル又は前記一組の磁気センサ手段と前記測定対象物との距離を計測する距離計測手段を設けた磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３４】
本発明の第３の形態は、前記測定対象物を固定するとともに前記印加コイル面に対して平行あるいは平行及び垂直方向に移動できる走査手段を設けた磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３５】
本発明の第４の形態は、前記測定対象物を計測した時の前記磁気センサ手段出力の強度と位相を解析する手段として、前記計測対象物の計測前あるいは計測後に前記計測対象物がないときの前記磁気センサ手段の出力の強度と位相を解析し、前記測定対象物による強度と位相からの変化解析する手段を設けた磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３６】
本発明の第５の形態は、前記印加コイル又は前記１組の磁気センサ手段を複数個設け、それぞれの磁気センサ手段を等距離に配置した磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３７】
本発明の第６の形態は、前記印加コイル用電源により前記印加コイルに複数の周波数の合成磁場を発生させ、これら複数の周波数それぞれに対して前記ロックインアンプ回路を備えた磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３８】
本発明の第７の形態は、前記印加コイルとして１対の対向形印加コイルを設け、前記測定対象物を前記対向形印加コイルの間に配置した磁気的インピーダンス計測装置である。
【００３９】
本発明の第８の形態は、前記磁気センサは、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス効果センサ、フラックスゲート又は超伝導量子干渉素子である磁気的インピーダンス計測装置である。
【００４０】
本発明の第９の形態は、第１〜８の形態のいずれかの磁気的インピーダンス装置を用いて、前記測定対象物に流れる誘導電流を画像化し、電流分布の異常を判定する磁気的インピーダンス変化判定装置である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の第１の形態によれば、印加コイルにより測定対象物に誘導電流を発生させることができる。ここで、印加コイルの中心軸をｚ軸とし、コイル面を直交したｘ、ｙ軸からなるｘｙ平面とする。この誘導電流からさらに発生した磁場の印加コイル面に平行な磁場のｘおよびｙ成分をそれぞれ検知できる磁気センサで計測する。この接線成分の磁場分布を考えると、電流の直上に接線成分の強度は強くなるので、等価的に接線成分の強度分布は電流分布を反映していることになる。また、誘導電流から発生した磁場は電流の位相と等しい。これらのことから、計測した接線成分の磁場強度と位相からは測定対象物の局所的なインピーダンス特性を反映した信号が得られた。また、周波数を可変にすることができるので各種測定対象物での誘電率や導電率などの周波数変化をとらえることができるのでインピーダンスの周波数変化をとらえることができる。また、印加コイルが作る磁場は印加コイル軸に平行な成分つまりｚ成分が最も強く、逆にｘ、ｙ成分では最も小さくなる。このため、従来印加コイルによって磁気センサにとびこんでくる磁場が測定対象物から発生する磁場よりも非常に大きいため磁気センサの近くに印加コイル磁場をキャンセルするキャンセルコイルを設ける必要があった。しかし、本発明では印加コイル磁場が最も小さいｘ、ｙ成分を計測しているので、キャンセルコイルが不要となり簡単な構成とすることができた。
【００４２】
本発明の第２の形態によれば、測定対象物の磁気応答特性を計測する場合、磁気変化はその印加コイルから測定対象物との距離と、磁気センサから測定対象物との距離によって大きく異なってくる。特に電流分布を計測する場合に、各計測点から磁気センサの距離が変化すると、正確な電流分布を解析することができなくなるが、印加コイルと磁気センサの距離を計測する距離計測手段を設けることにより、より精度の高い電流分布が計測できるようになった。
【００４３】
本発明の第３の形態によれば、測定対象物を移動させることができるので一組の磁気センサでも、測定対象物の電流分布を計測することができる。
【００４４】
本発明の第４の形態によれば、測定対象物の誘導電流から発生する磁場強度が小さい場合でも、精度が高く計測できる。測定対象物がない場合でも磁気センサには環境の磁気雑音や印加磁場が入ってくる。このため、測定対象物からの信号が弱く、雑音と同程度あるいは小さい場合は、大きな誤差が生じる。しかし、あらかじめ計測前あるいは後で測定対象物がないときの磁気センサの出力を計測しておき、測定対象物を測定した磁気センサの出力から得られた磁場ベクトルからないときの磁場ベクトルを差し引くことにより真の磁場ベクトル変化を解析することができる。
【００４５】
さらに本発明の第５の形態によれば、一組の磁気センサ手段を複数個設け、等間隔に配置することによって、測定対象物を移動させることなく、一度に各計測点を同時計測することができるので電流分布の高速計測ができる。
【００４６】
本発明の第６の形態によれば、印加磁場の周波数を変化させて計測せずに複数の周波数の合成磁場を発生させ、磁気センサの出力を複数の周波数で位相検波するから、周波数を切り替えずに２つの周波数に対する測定対象物の磁気応答を同時に計測できる。従って、インピーダンスの周波数特性の計測が格段に高速化できる。
【００４７】
本発明の第７の形態によれば、印加コイルとして１対の対向形印加コイルを設けることにより、測定対象物に対して広い領域で均一な印加磁場分布を与えることができる。従って、測定対象物が大きな面積である場合も均一な磁気信号を得ることができ、測定対象物のインピーダンス特性の局所的な変化を高精度に計測することができる。
【００４８】
さらに本発明の第８の形態によれば、磁気センサとして、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス効果センサ、フラックスゲート又は超伝導量子干渉素子を用いることにより、低周波の交流磁場を印加して磁気応答を検知することができる。好ましくは、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス効果センサ、フラックスゲート又は超伝導量子干渉素子を用いれば、周波数が１ｋＨｚ以下から数Ｈｚ以下までの低周波の交流磁場を印加して測定対象物のインピーダンス特性の局所的な変化を検知することができる。
【００４９】
本発明の第９の形態によれば、第１〜８の形態の磁気検知装置を用いて測定対象物のインピーダンス特性の局所的な変化を高感度で測定できるから、測定対象物に構造欠陥や、疾患による生体組織のインピーダンス変化や、農作物の熟成度や密度の変化などを高精度に判定することができる。
【００５０】
本発明によれば、測定対象物を走査して計測することにより、測定対象物の誘導電流によって発生した磁場の分布を計測し、さらに磁場分布より、誘導電流の分布を解析することができる。
さらに本発明によれば、磁気的インピーダンス装置により、測定対象物に流れる誘導電流を画像化し、電流分布の異常を判定することができる。
【００５１】
また本発明によれば、印加した磁場と垂直な磁場を計測することによって、電流分布を画像化できるので、欠陥部分で生じた局所的な電流分布の変化まで解析でき、欠陥が何処に、どのくらいの大きさであるかを判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、本発明の実施形態を添付する図面を参照して詳細に説明する。
【００５３】
（実施例１）
図１は、本発明による磁気的インピーダンス計測装置の基本構成を示す概略図である。測定対象物８に、印加コイル１によって磁場が印加される。印加コイル用電源２は発信器４によって印加磁場の周波数を変えることができる。この信号で電流源３を駆動し、印加コイル１に交流電流を流す。測定対象物８に印加磁場によって生じた誘導電流が発生し、その誘導電流による磁場が新たに発生する。この誘導電流による磁場を磁気抵抗素子からなる一組の磁気センサ手段５で検出する。ここで、印加コイルのコイル面をｘｙ平面とし、コイルの中心軸をｚ軸とする。一組の磁気センサ手段５には図２に示すようにｘｙ平面に平行な磁場成分Ｂｘ成分とＢｙ成分の２つの直交した磁場成分を計測するＢｘ用磁気センサ１０とＢｙ用磁気センサ１１を設ける。もちろん、磁気センサとして他の磁気インピーダンス効果センサや、フラックスゲート、超伝導量子干渉素子等いずれかを使用することができる。ここで、Ｂｘ用磁気センサ１０とＢｙ用磁気センサ１１それぞれには測定対象物８からの磁場だけでなく地磁気などの環境の磁気雑音が入っており、また印加磁場が磁気センサのところにも入っている。このため、印加磁場の周波数に同期した信号だけをとりだすロックイン検波方式をとることにより、測定対象物８からの磁場だけを検出できるようになる。
【００５４】
図３は、本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置のロックインアンプ部の構成を示す概略図である。各Ｂｘ用磁気センサ１０およびＢｙ用磁気センサ１１は図３に示すように、それぞれの磁気センサ用計測回路６−１及び磁気センサ用計測回路６−２で駆動し、その出力は、ロックインアンプ回路７により検波される。ロックインアンプ回路７では、印加コイルにかけた発信器４に同期した信号だけ検出する。発信器４の信号に対して同相の信号と、９０度位相がずれている信号の２つに分離して検出される。磁気センサ用計測回路６−１の出力は、ロックインアンプ回路７の初段にあるハイパスフィルター１２−１により直流成分をカットした後、アンプ１３−１により増幅される。この後、２つの経路に分岐され、一つは発信器４の信号と同相の信号が位相検波回路１４−１によって検波され、ローパスフィルター１５−１を通り同相出力端子１６−１に出力される。
【００５５】
また、分岐されたもう一つの信号は、発信器からの信号が９０度位相シフト１７−１により位相が９０度ずれた位相検波回路１４−２を通り、ローパスフィルター１５−２を通り９０度位相シフト出力端子１８−１に出力される。このようにして測定対象物８の磁気応答信号を同相の信号と９０度ずれた信号に分離される。この９０度位相の異なる信号に分離することにより、測定対象物のインピーダンス特性の変化による誘導電流の信号の強度と位相変化を読み取ることができる。
【００５６】
（実施例２）
図４は、本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例２の基本構成を示す概略図である。実施例２は、測定対象物８と印加コイル１の位置を判定するために、距離計測手段２０を設けている。この距離計測手段２０の設置場所は印加コイル１の近くでも一組の磁気センサ手段５の近くでも、それぞれに対する距離計測手段８の相対距離が分かっていれば、設置場所はどこでもよい。ここで、距離計測手段としては、レーザ光を用いた距離計を用いた。印加磁場に対する測定対象物８の磁気応答特性は印加コイル１との距離で異なり、またそれを検出する一組の磁気センサ手段５との距離でも信号強度が大きく異なってくる。このため、距離計測手段２０を設けることにより再現性のある計測が実現できる。
【００５７】
（実施例３）
図５は、本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例３の基本構成を示す概略図である。実施例２の装置に、測定対象物用のスキャンニング手段２１をとりつけた構成をしており、距離計測手段により、一組の磁気センサ手段と測定対象物との距離を一定に保ち、測定対象物を走査して計測することができる。この機構により測定対象物の誘導電流によって発生した磁場の分布を計測することができる。さらに磁場分布より誘導電流の分布を解析することができるようになった。
【００５８】
図６はロックイン検波した磁気センサからの出力の基礎的な処理方法を模式化したものである。測定対象物８がないときの磁場センサからの出力をＢａとする。印加コイル１にはインダクタンスがあるため、周波数によって電流源の発信器からの信号から位相αずれる。測定対象物８を計測するとそのインピーダンス特性よりさらに位相がβだけずれる。このときの信号ベクトルをＢｂとすると、測定対象物８の誘導電流から発生した磁場信号ベクトルはＢｓ＝Ｂｂ−Ｂａである。このベクトルを原点に平行移動すると位相角θが分かる。ここで、これらのα、β、θなどの位相角は周波数により変化する。このため、測定前あるいは測定後に測定対象物８がないときの磁場ベクトル強度｜Ｂａ｜と位相角αとを計測しておく。測定対象物がないときの磁場ベクトル強度と位相角と、測定対象物を計測した結果の磁場ベクトルベクトル強度｜Ｂｂ｜と位相角βとから最終的に誘導電流によって発生した磁場信号ベクトル強度｜Ｂｓ｜と位相角θを算出することができる。従来は、キャンセルコイルを用いて測定対象物８がないときに検出する磁場ベクトルは非常に小さくして測定対象物８だけの信号を解析していた。しかし、本解析方法では、測定対象物がないときの磁場ベクトルの情報を得ることにより、キャンセルコイルなしでも測定対象物８の信号が解析できるようになっている。
【００５９】
図７は、本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例３を用い、また前述した図４の解析方法を用いて厚さ１ｍｍで１０ｃｍ×１０ｃｍの銅板を計測し解析した結果を示す。図７は、銅板に流れた誘導電流の電流分布を示している。図中の矢印はスキャンニング装置で測定対象物である銅板を動かして、各点で計測し、解析した結果から電流ベクトルを解析した結果を示している。銅板の信号ベクトルをｘ、ｙ成分に分解するとＢｓ＝｜Ｂｘ｜ｅｘ＋｜Ｂｙ｜ｅｙと書き表すことができる。ここでｅｘとｅｙは、それぞれｘ方向およびｙ方向の単位ベクトルとする。この信号ベクトルから電流はＩＳ∝|Ｂｘ|ｅｙ−|Ｂｙ|ｅｘで表せる。この電流ベクトルＩｓを図７は示している。この図より、銅板での誘導電流の各計測点での電流の向きと大きさを知ることができるようになった。このように解析し、画像化し、表示することができる。
【００５８】
（実施例４）
図８は、本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例４を示す。実施例１〜３では、周波数を切り替えて測定したが、実施例４では、図８に示すように印加コイル用電源２の発信器４で２つの周波数ｆ１とｆ２を同時に発生させ合成した電流波形を印加コイルに供給している。このため、各磁気センサに接続された磁気センサ用計測回路６−３および磁気センサ用計測回路６−４からの出力を２つに分岐させ、周波数ｆ１とｆ２用のロックインアンプ回路をそれぞれ設けている。このため、出力端子としては周波数ｆ１に対して、同相出力端子１６−３と同相出力端子１６−４と９０度位相シフト出力端子１６−５と９０度位相シフト出力端子１６−６の合計４つの信号が同時に得られる。従って、ｘ成分用磁気センサ１０およびｙ成分用磁気センサ１１からなる一組の磁気センサ手段からは合計８つの信号が得られる。これにより周波数を切り替えなくても、測定対象物の周波数変化によるインピーダンス特性変化を計測できる。実施例１〜４においては、印加コイルを一つ用いた検知器を説明したが、測定対象物が大きい場合や、測定対象物に均一な磁場を印加したい場合は、印加磁場のより広い範囲での均一性が求められ、以下に均一な交流磁場を印加可能な実施例を示す。
【００５９】
（実施例５）
図９は、本発明に係る対向形印加コイルを用いた第５実施例形態の基本構成を示す概略図である。実施例５では印加コイルを対向形印加コイル２２−１と対向形印加コイル２２−２の２つを設け、お互いのコイル面が対向するように配置している。これはヘルツホルツコイルとしてよく知られたコイルの組み合わせであるが、これを用いることにより、より大きい測定対象物８を計測することができる。
【００６０】
（実施例６）
図１０は、本発明に係る対向形印加コイルと一組の磁気センサ手段が多数個なるマルチチャンネル磁気センサアレイ２３を用いた実施例６の基本構成を示す概略図である。実施例５では、一組の磁気センサ手段を用いて、スキャンニング装置により測定点を変えていった。しかし、実施例６では一組の磁気センサ手段５を多数個配置することにより測定対象物の各部分での磁気応答が同時計測できるように構成されている。このため、多数の一組の磁気センサ手段５を駆動するためマルチチャンネル用計測回路２４とマルチチャンネル用ロックインアンプ回路２５を設け、同時計測できるようにしている。このように磁気センサ数は、多く配置することによって、測定時間を大幅に短縮できるとともに、過渡的な現象も観察することができるようなった。
【００６１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。
【００６２】
【産業上の利用可能性】
本発明は、測定対象物に交流磁場を印加しそのインピーダンス特性を検出するとともに、誘導電流の分布を画像化する装置に関する。
本発明は、測定対象物に交流磁場を印加しそのインピーダンス特性を磁気センサで検出できる装置に関している。このため、導電性のある構造物での欠陥を検出する非破壊検査装置や、果物等の熟成度や密度を検査する装置や、疾患による人の体の内部のインピーダンス変化などを検査する生体インピーダンス検査装置などとして利用できる。
【００６３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の基本構成を示す概略図である。
【図２】本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例１の一組の磁気センサ手段の計測磁場成分を示す概略図である。
【図３】本発明に係る磁気的インピーダンス計測装置の実施例１のロックインアンプ部の構成を示す概略図である。
【図４】本発明に係る磁気検知装置の実施例２の基本構成を示す概略図である。
【図５】本発明に係る磁気検知装置の実施例３の基本構成を示す概略図である。
【図６】実施例３の計測結果における測定対象物がないときの磁場ベクトルと測定対象物を計測したときの磁場ベクトルの関係図である。
【図７】実施例３の解析結果による測定対象物での電流分布図である。
【図８】２つの周波数を合成した印加磁場を用いた磁気的インピーダンス計測装置の実施例４のロックインアンプ部の構成を示す概略図である。
【図９】本発明に係る対向形印加コイルを用いた第５実施例形態の基本構成を示す概略図である。
【図１０】本発明に係る対向形印加コイルと多数個の磁気センサを用いた実施例６の基本構成を示す概略図である。
【００６４】
【符号の説明】
１ 印加コイル
２ 印加コイル用電源
３ 電流原
４ 発信器
５ 一組の磁気センサ手段
６ 磁気センサ用計測回路
６−１ 磁気センサ用計測回路
６−２ 磁気センサ用計測回路
６−３ 磁気センサ用計測回路
６−４ 磁気センサ用計測回路
７ ロックインアンプ回路
８ 測定対象物
９ 解析手段
１０ Ｂｘ用磁気センサ
１１ Ｂｙ用磁気センサ
１２−１ ハイパスフィルター
１２−２ ハイパスフィルター
１３−１ アンプ
１３−２ アンプ
１４−１ 位相検波回路
１４−２ 位相検波回路
１４−３ 位相検波回路
１４−４ 位相検波回路
１５−１ ローパスフィルター
１５−２ ローパスフィルター
１５−３ ローパスフィルター
１５−４ ローパスフィルター
１６−１ 同相出力端子
１６−２ 同相出力端子
１６−３ 同相出力端子
１６−４ 同相出力端子
１６−５ 同相出力端子
１６−６ 同相出力端子
１７−１ ９０度位相シフト
１７−２ ９０度位相シフト
１８−１ ９０度位相出力端子
１８−２ ９０度位相出力端子
１８−３ ９０度位相出力端子
１８−４ ９０度位相出力端子
１８−５ ９０度位相出力端子
１８−６ ９０度位相出力端子
２０ 距離計測手段
２１ スキャンニング手段
２２−１ 対向形印加コイル
２２−２ 対向形印加コイル
２３ マルチチャンネル磁気センサアレイ
２４ マルチチャンネル用計測回路
２５ マルチチャンネル用ロックインアンプ回路
Claims (16)
- 可変周波数の交流磁場を発生させる１個の印加コイルと、
該印加コイルを励磁する励磁電源と、
測定対象物によって生じた磁場の直交したベクトル成分（Ｘ，Ｙ）で印加コイル面に平行なベクトル成分を検知する、前記印加コイル面と測定対象物の間に位置している、一組の磁気センサからなる少なくとも１個の磁気センサ手段と、
前記印加コイル面から離間して、前記測定対象物に近接して配置され、前記磁気センサ手段の信号を検出する検出手段と、
該検出手段で検出された検出信号を計測する計測手段と、
を具えたことを特徴とする磁気的インピーダンス計測装置。 - 前記検出手段は、前記測定対象物に接近できるように可動自在に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気的インピーダンス計測装置。
- 前記計測手段で計測された計測信号を解析し、これを画像処理して、表示する表示手段を更に具えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気的インピーダンス計測装置。
- 前記計測手段の出力から前記印加コイルと同じ周波数の信号を検波するロックインアンプ回路を具えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気的インピーダンス計測装置。
- 前記ロックインアンプ回路の出力信号により、前記磁気センサ手段の出力の強度と位相変化を解析する解析手段を具えたことを特徴とする請求項４に記載の磁気的インピーダンス計測装置。
- 前記測定対象物に流れる誘導電流を画像化する画像化手段を具えるとともに、該画像化手段からの出力を表示する表示手段を具えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気的インピーダンス装置。
- 標準電流分布に対する異常電流であることを判定する異常判定手段を具えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁気的インピーダンス装置。
- 前記測定対象物を固定するとともに前記印加コイル面に対して平行或いは平行及び垂直方向に移動できる走査手段を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気的インピーダンス許測装置。
- 前記１組の磁気センサ手段を複数個設け、それぞれの磁気センサ手段を等距離に配置したことを特徴とする請求項１〜８に記載の磁気的インピーダンス計測装置。
- 前記印加コイル用電源により前記印加コイルに複数の周波数の合成磁場を発生させ、これら複数の周波数それぞれに対して前記ロックインアンプ回路を具えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁気的インピーダンス計測装置。
- 前記磁気センサ手段は、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス効果センサ、フラックスゲート又は超伝導量子干渉素子であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁気的インピーダンス計測装置。
- 可変周波数の交流磁場を発生させる１個の印加コイルと、
該印加コイルを励磁する励磁電源と、
測定対象物によって生じた磁場の直交したベクトル成分（Ｘ，Ｙ）で印加コイル面に平行なベクトル成分を検知する、前記印加コイル面と測定対象物の間に位置している、一組の磁気センサからなる少なくとも１個の磁気センサ手段と、
前記印加コイル面から離間して、前記測定対象物に近接して配置され、前記磁気センサ手段の信号を検出する検出手段と、
該検出手段で検出された検出信号を計測する計測手段と、
該計測手段で計測された出力信号を解析し、これを画像処理して、表示する表示手段と、
を具えたことを特徴とする磁気的非破壊検査装置。 - 標準電流分布に対する異常電流であることを判定する異常判定手段を具えたことを特徴とする請求項１２に記載の磁気的非破壊検査装置。
- 前記測定対象物が、導電性を有する構造体であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の磁気的非破壊検査装置。
- 前記測定対象物が、果物であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の果物熟成度の磁気的検査装置。
- 前記測定対象物が、人体であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の人体疾患の磁気的検査装置。
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