JP4084424B2 - 目的物の存否を検出するための装置 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、誘電運動（泳動）によるプラスチックやその他の物質の検出に関し、さらに詳しくは、機械的に制約された逆誘電泳動力に対する電気力学的な反応電流サージの検出を介して、特定のプラスチック・ポリマー・その他の有機および無機の物質を検出することに関する。
介在する視認障害構造やバリアやＥＭＩ信号の存否に依存しない、特定のポリマー・プラスチック（添加物を含む種々のポリマーの配合物や混合物）・その他の有機物および無機物の検出技術には、非常に多様な用途がある。すなわち、（ａ）搭乗前の飛行機・列車・自動車の輸送安全保護、（ｂ）新旧建造物、（ｃ）法の執行、（ｄ）軍事活動、（ｅ）万引き防止、および（ｆ）その他の安全保護が必要な事象や安全保護活動等がある。
米国特許５，０１９，８０４は、対象物の動きを検出するための装置と方法を開示している。本システムは動きの検出には有効であるが、センサが誘電運動（泳動）を利用しないので、その用途は限られている。また、Ｇ＝Ｌ＝ハーンらの「法科学における静電気学の応用」ジャーナル＝オブ＝エレクトロスタチックス、Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．１、およびインデックス、１９８９年４月、１６９−１７８頁、ＸＰ０００００４８５８には、科学捜査関連の種々雑多な細片群から家庭用および車両用塗料の小断片を法科学者が回収することを可能にするように静電気力と機械的な力とを組み合わせて用いる分離装置が開示されている。しかしながら、この分離機も誘電運動（泳動）を利用せず、その用途が限定されている。
誘電泳動は、外部の空間不均一電界による誘導によって誘電分極荷電された、当初は電気的に中性の物質への力および該物質の力学的な振る舞いを記述する。電界の空間的不均一さの度合いは、該電界の空間的な勾配（空間的な変化率）によって測定される。誘電泳動効果の基本的な作用原理は、或時点および時間的な広がりにおいて空気またはその他の周囲媒体中に発生される力（またはトルク）が、符号（＋または−）や電界（電圧）の時間変化（直流または交流）や周囲媒体誘電特性に依存することなく、主に局所電界の最大勾配（不均一さ）へ向かって、常に同じ方向を示す（または、示そうとする）ことにある。
誘電泳動力の大きさは、周囲媒体の誘電分極性と当初中性の物質の誘電分極性とに特徴的に非線形的に依存し、さらに、該中性物質の幾何学的特性にも非線形的に依存する。この依存性は、固体物理学における分極性の研究において周知のクラウジウス−モソッティの式に依っている。誘電泳動力は、目的物によって発生される局所印加電界に非線形的に依存する。誘電泳動力は、検出器が置かれた空間的かつ時間的な一点における目的物の局所電界分布の平方（二乗）の空間的勾配に依存する。局所電界の平方の空間的勾配は、検出器における誘導された分極変化によって発生される誘電泳動力によって測定される。この定方向指向性の力は、（目的物から固定半径方向距離での）角度位置の関数および（固定角度位置での）半径方向位置の関数および「有効」媒体分極性の関数として極めて変化しやすい。該力の検出サインは、検出器が勾配パターンの極大値の方向を常に指し示した（指し示そうとした）状態における目的物の局所電界の二乗の空間的勾配の特有パターンである。誘電泳動の方程式および実験結果は全て、基本電磁気法則（マクスウェルの方程式）に整合している。
誘電分極としては、５つの種類が知られている。その５種類とは、原子核周りの電子分布が印加外部電界によってわずかに歪んでいる電子分極、当初は中性の物質の内部における原子分布が印加外部電界によってわずかに歪んでいる原子分極、非常に特定的なポリマーなどにおいて、高度に非局在化された電子または陽子の分布が印加外部電界によって数個の分子繰返し単位にわたって大きく歪んでいる遊動分極、物質内の分子に可撓的にぶら下がる配向可能ペンダント極性基（−ＯＨ，−Ｃｌ，−ＣＮ，−ＮＯ₂）および永久双極子（Ｈ₂Ｏ，ＮＯ，ＨＦ）が特有時間定数で外部電界に向かって回転的に配列された回転分極（双極および配向）、不均一な誘電界面が種々の小さな電導度によって電荷担体を蓄積する界面（空間電荷）分極である。界面分極では、蓄積されて界面電荷を中性化する空間電荷は、特有時間定数で外部電界を歪ませる。
はじめの3種類の誘電分極すなわ電子分極・原子分極・遊動分極は、距離尺度としては分子的であり、外部電界が印加されると「瞬時に」発生するとともに、極高周波数（赤外および可視）での物質の比誘電率に貢献する。あとの２種類の分極すなわち回転分極・界面分極は、距離尺度としては分子的および巨視的であり、特有時間定数をもって時間とともに動的に出現し、以て、高周波数比誘電率が周波数ゼロでの比誘電率に向かって時間とともに変化するにつれて高周波数比誘電率を増加させることを補助する。これらの特異的物質時間定数は、物質の誘電的および機械的な応答を制御する。
上記５種類の分極と比誘電率の時間変化への貢献における分極の動力学とは、Ｈ．Ａ．ポールの「分極泳動」−ケンブリッジ大学出版（１９７８年）、Ｒ．シラーの「誘電媒体における電子」−Ｃ＝フェラディーニとＪ＝ゲリン編集、ＣＲＣ出版（１９９１年）、およびＲ＝シラーの「巨視的摩擦と誘電弛緩」−電気絶縁についてのＩＥＥＥ報告書、２４，１９９（１９８９年）など、様々な出版物において考察されている。なお、上記出版物の周知の教示は、参照として本明細書に組み込まれている。
外部電界Ｅ₀を誘電体に印加した場合、力（Ｆ）は、自由電荷に作用する力と、分極可能な双極子として作用する電荷の結合対と、双極子間の相互作用と、誘電体内の電界（Ｅ）による寸法変化とを含む体積密度（ｆ＝Ｆ／ｖ）を持つ。一般体積力密度は、下記の関係にしたがって定義できる。
f＝F/v＝D_chargeE−1/2(E₀E)∇ε＋1/2α∇(E₀E)＋1/2(D_mass∂ε/∂D_mass)∇(E₀E)
f ＝ 静電気力 ＋ 双極子−Ｅ₀電界力 ＋ 誘電泳動力 ＋ 電気歪力
上記式において、∈＝物質の誘電率（Ｋ∈₀に等しい。ここで、Ｋは物質の比誘電率、∈₀は自由空間の誘電率）、α＝誘電体の分極性、∇＝空間勾配ベクトル数学的演算子、∂∈／∂Ｄ_mass＝偏微分数学的演算子、Ｄ_charge＝自由電荷（担体）の体積密度、Ｄ_mass＝誘電体の体積質量密度。
大半の誘電体において、Ｄ_mass＝０であるので、考慮すべき静電気力はない。同様に、圧電物質を例外として、∂∈／∂Ｄ_mass＝０（即ち、比誘電率の密度変化はない）であり、考慮すべき電気歪力はない。したがって、二つの誘電運動力すなわち双極子−Ｅ₀電界力と誘電泳動力とが、考慮すべき力として残る。
誘電率∈＝Ｋ∈₀のベクトル勾配が零である（即ち、有効比誘電率に空間的変化がない）場合、第１番目の誘電運動力は零に等しくなる。比誘電率に空間的変化がある場合には、等式（１）の２番目の項に電界の平方が乗算されるので、比較的大きな力が起きる。第１の誘電運動力の単純な例として、温かい液体（その比誘電率が冷たい液体よりも低いので、その空間的勾配は零ではない）最低電界領域へ向けて運動させた場合がある。複雑な誘電体では、∇∈＝０ならば、物体の全ての部分が空間的に誘電的にマッチする。誘電率∈は、特に、化学処理上の課題や最終用途製品の機能的限界を克服するためにしばしばポリマーに添加物を加えた混合物または配合物である「プラスチック」のためのみならず、「純粋な」ポリマーのための複雑物質パラメータである。Ｄ．Ｗ．ファン＝クレベレンの「ポリマーの特性および化学構造との相関性」−エルセビア出版（１９７６年）を参照されたい。この出版物の教示は、参照として本明細書に組み込まれる。
等式（１）の３番目の項すなわちＨ＝ポールによって理論化された誘電泳動力は、電界の２乗の空間勾配を含む。したがって、第２の誘電運動力である誘電泳動力は、双極子−双極子誘電運動力よりも小さい。したがって、正味の力密度は、下記のように表される。
f＝F／v＝−1／2(E₀E)∇ε＋1／2α∇(E₀E)
f＝双極子−E₀電界力＋誘電泳動力
誘電体に蓄積された電気エネルギー密度（Ｕ）は、以下の式として表される
F＝−∇U
したがって、エネルギ（Ｕ）は、上記関与する二つの動電学的力の体積積分である。
したがって、次の二つの状況のどちらかが発生しうる。即ち、（１）∇∈が零ではなく、等式（２）の第１の誘電運動力が優勢であり、（即ち、複雑誘電体の様々な部分が、誘電的空間的にマッチしていない）、さらに、そのシステムの全エネルギが大きく、その変化も大きい。この状況は、「マッチ検出無」を意味する。（２）∇∈が零であり、等式（２）の誘電運動力（ポール）が優勢であり（即ち、複雑誘電体の種々の部分が、誘電的空間的にマッチしている）、さらに、そのシステムの全エネルギが小さく、その変化も小さい。この状況は「マッチ検出」を意味する。
状況２（マッチ検出）では、力密度（ｆ）は、下記のように表される。
f＝F／v＝1／2G∇｜K₁ε₀E₀E₀｜
f＝F／v＝1／2Gσ｜2U₀｜
ここで、Ｅ＝ＧＥ₀によって、誘電体（Ｅ）内の電界は外部電界（Ｅ₀）に変換され、球状の形成された誘電物に対してはＧ＝３（Ｋ₂−Ｋ₁）（Ｋ₂＋２Ｋ₁）であり、円柱上に形成された誘電物に対してはＧ＝２（Ｋ₂−Ｋ₁）（Ｋ₂＋Ｋ₁）であり（ここで、Ｋ₂は基準サンプルに誘電的空間的にマッチする球または円柱内の物質の比誘電率であり、Ｋ₁は周囲流体（ガスまたは液体）の比誘電率である）、さらに、Ｕ₀は、外部電界Ｅ₀に「蓄積された」電気エネルギー密度である。
上記の概念を用いて、介在する視認障害構造やバリアやＥＭＩ信号の存否に関わらずに、ポリマーおよびプラスチックおよびその他の有機／無機物の検出を可能にすることには、利点があるであろう。
発明の概要
本発明によって上記のような応用が達成された。本発明は、当初中性の対象物の新規の組み合わせを用いる検出器に関し、これによって、或添加物の存否が唯一の相違点である概略同一のプラスチック配合物においてさえも高い識別精度で、隠れた特定ポリマーおよびプラスチックを検出することを可能にした。
誘電泳動力効果は、通常、共同所有の同時係属中の特許出願通し番号０８／７５８，２４８に記載されるように、良く定義されたピボット点および線から可変かつ積分可能な距離において作用する誘電泳動力の顕示とトルク型の「或距離での作用」とによって観察される。上記出願の開示は、参照として本明細書に組み込まれる。本発明では、当初中性の物質が検出目的物であるという別の技術的戦略を採用しており、一方、上記同時係属出願では、当初中性物は中心検出媒体自身である。この場合、当初中性物「目的」物体と同じ化学的および誘電的特性を持つ物質源物体が検出媒体として用いられる。
外部電界とその空間勾配は、検出媒体自身の連続的帯電によって発生される。この検出媒体の外部電界の空間勾配は、検出媒体の近接距離（領域）内に進入するいかなる極類似かつ当初中性の目的物体に対しても誘電泳動力を発生する。化学的および誘電的な意味において同じである目的物と検出媒体とは、存在する誘電運動力に応答して動けることのないように機械的に拘束されている。したがって、両者は機械的にエネルギを放出することはなく、電流サージが発生される。
対象となる極類似目的物が検出媒体の近傍（領域）内に進入すると、連続的帯電によって発生される外部電界は、誘導された分極パターンを当初中性の極類似目的物内に形成し、Ｕ₀からのエネルギすなわち外部電界内に蓄積されたエネルギ密度を引き出す。
特定のタイプのプラスチックやポリマーやそのほかの有機／無機物の存在を示唆するために用いられる顕示検出信号は、電子回路を介して検出媒体に取り付けられた起電エネルギ源（バッテリ）からの電流サージとして提供される電気エネルギサージである。本発明の構成概念を採用した検出装置によれば、プラスチックやその他の物質は、視認障害構造またはバリア（スーツケース、壁など）または電磁障害（ＥＭＩ）信号の存在に関わりなく、検出することができる。その他の全ての（非マッチ）プラスチックやその他の物質は、力および関連したエネルギが、検出装置内に位置された基準誘電物に付けられた電子回路によって供給可能な量よりも遙かに大きいので、エネルギサージは与えない。
【図面の簡単な説明】
本発明のその他の目的および効果は、下記の添付図面を参照して詳細に説明される。
図１は、検出媒体位置、その電界線、対象となる非常に似通った目的物の位置、その誘導された分極パターンの模式図である。
図２は、検出媒体に取り付けられる電気回路のプロトタイプの模式図である。
好適な実施例の詳細な説明
図１は、電流サージを与えるために連続的帯電源１ａと電子回路１ｂとを有する基準物体１の位置を模式的に示す。連続的帯電源１ａは、穴６内に機械的に拘束された基準物上で静電電荷２ａ−２ｇを誘導し、これによって、線３ａ−３ｇで示す不均一電界を発生する。電界線は、特有の空間勾配パターンのみならず特有の空間パターンを持つ。基準物電界は、周囲接地平面４上で終末し、以て、接地平面４の表面上に逆の電荷５ａ−５ｇを誘導する。
概念的には、当初中性の目的誘電物体７が電界線３ａ−３ｇおよび空間勾配の環境に進入すると、目的物７に分極電荷８ａ−８ｄが誘導される。目的物７の誘電特性が基準物１の誘電特性と同じ場合、上述した誘電泳動現象にしたがって誘電泳動力のみが出現する。目的物７および基準物１は機械的に拘束されている（後述）ので、両者は誘電泳動力に反応せず、電子回路１ｂは分極電荷８ａ−８ｄの発生に応答して定量可能な電流サージを発生する。
図２は、図１の電子回路１ｂを含む本発明の検出器の詳細図である。基準物室１２は基準物を機械的に拘束する。好適な基準物の例には、ＰＶＣ、ＡＢＳなどがある。接地線１４が基準物を通って接地鋼鉄ロッド１６へ延設されている。基準物室１２は、その両端において、鋼鉄ナットなどからなる１対の伝導性端インサート１８によって閉じられている。別の構成では、接地線１４が伝導性端インサート１８の一方に直接に接続されている。調節可能なアンテナ２０が伝導性端インサート１８のどちらか一方に接続され、鋼鉄ロッド１６と共通の接地を有してもよい。アンテナ２０は、検出器の近接距離（領域）を増加させるように働く。
接地線１４は上記物質に直列接続され、該物質は１００巻銅線誘導器などの銅線インダクタチョーク２２に直列接続されている。該チョークは、ＮＴＥ３１２ＦＥＴなどの電界効果トランジスタ２６のゲート入力に直列接続されている。電界効果トランジスタ２６は、チョーク２２を介してゲート入力に与えられる信号の制御下で検出回路２４を閉じる。回路２４は、電流計２８と可変１００ＫΩ抵抗器３０と固定２２ＫΩ抵抗器３２と電流表示ライト３４と例えば９ボルトバッテリなどのバッテリ３６とを直列接続の構成で含む。勿論、電源３６や電流計２８の特性などにしたがって様々な抵抗値を選択することができる。検出回路２４がトランジスタ２６によって閉路されると、電源３６が負荷３０／３２とライト３４とを介して出現する。
上記の検出器の構成部品は、携帯自在ケーシング３８内に適切に配列することができる。
その作用において、連続的帯電源１０は、基準物サンプルをその外表面が帯電された状態に保ち、以て外部電界とその空間勾配とを与える。基準物１の誘電特性にマッチする検出目的物７が、基準物１によって与えられる電界およびその空間勾配へ進入させられると、上述した一般体積力密度の概念にしたがって外部電界からエネルギが引き出されて、線１４内に電流サージが発生する。この小電流は、電界効果トランジスタ２６に検出回路２４を閉じさせるために十分の大きさであり、これによって、電流計２８および表示ライト３４を通る電流パルスがバッテリ３６から発生する。このように、ライト３４と電流計２８とは、線１４内の電流サージの指示器になり、したがって、目的物の存在の指示器になる。
本発明によれば、外部電界とその空間勾配とを検出基準媒体の連続的帯電源によって発生することができる。該空間勾配は、検出媒体の近接距離（領域）内に進入するいかなる極類似かつ当初中性の目的物体に対しても誘電泳動力を発生する。基準物および目的物は機械的に拘束されているので、該誘電泳動力は検出回路を作動させるために十分な電流サージを出現させ、以て、電流計および／または表示ライトへ電流サージを提供する。
本発明を、現時点において最も現実的で好適な実施例として考えられる例に関連して説明してきたが、本発明は、開示された実施例に限定されるものではなく、後記の請求項の精神と範囲に含まれる様々な変更や同等の構成を含むことを意図したものであることを理解するべきである。

Claims (19)

1. 目的物の存否を検出するための検出器であって、
   基準物を機械的に拘束する室を有する検出器ハウジングと、
   その検出器ハウジングに配置され、前記基準物上に静電荷を誘導する帯電源と、
   前記基準物と電気的連通状態に配置され、一端においてグランドに結合された接地リードと、
   前記ハウジングに配置され、前記基準物上の静電荷によって発生される特有の空間勾配パターンと特有の空間パターンとを有する不均一電界内に、前記基準物の誘電特性と同じ誘電特性を持つ目的物が機械的に拘束されている場合に、顕示された誘電泳動力によって前記接地リード内に発生される電流に応じて閉路される検出回路とを備えることを特徴とする検出器。
2. 前記接地リードは、前記グラウンドに結合された一端と逆の方向においては、前記誘導泳動力によって前記接地リード内に発生される電流に応じて前記検出回路を閉路する働きをするスイッチに結合されている請求項１に記載の検出器。
3. 前記スイッチは電界効果トランジスタである請求項２に記載の検出器。
4. 前記基準物と前記スイッチとの間において前記接地リードに直列のインダクタチョークをさらに有する請求項２に記載の検出器。
5. 前記室の端は一対の伝導性端インサートによって蓋をされており、前記端インサートと前記室とは前記基準物を機械的に拘束し、前記接地リードは前記端インサートの一方に電気的に接続されている請求項１に記載の検出器。
6. 前記検出回路は、直列接続された電流計と負荷とバッテリとを有する請求項１に記載の検出器。
7. 前記検出回路は、前記負荷と前記バッテリとに直列に配置された表示ライトをさらに有し、前記負荷は可変抵抗器と固定抵抗器とを有する請求項６に記載の検出器。
8. 前記基準物室の端は一対の伝導性端インサートによって蓋をされており、前記端インサートと前記室とは前記基準物を機械的に拘束する請求項１に記載の検出器。
9. 前記伝導性端インサートの一方を電気的に接続するアンテナをさらに有する請求項８に記載の検出器。
10. 非伝導性の目的物の存否を検出するための検出器であって、
    基準物を機械的に拘束する基準物室と、
    前記基準物上に静電荷を誘導する帯電源と、
    前記基準物と電気的連通状態に配置され、一端においてグランドに結合された接地リードと、
    前記基準物上の静電荷によって発生される特有の空間勾配パターンと特有の空間パターンとを有する不均一電界内に、前記基準物の誘電特性と同じ誘電特性を持つ目的物が機械的に拘束されている場合に、顕示された誘電泳動力によって前記接地リード内に発生される電流に応じて閉路される検出回路とを備えることを特徴とする検出器。
11. 前記接地リードは、前記グラウンドに結合された一端と逆の方向においては、前記誘導泳動力によって前記接地リード内に発生される電流に応じて前記検出回路を閉路する働きをするスイッチに結合されている請求項１０に記載の検出器。
12. 前記スイッチは電界効果トランジスタである請求項１１に記載の検出器。
13. 前記基準物と前記スイッチとの間において前記接地リードに直列のインダクタチョークをさらに有する請求項１１に記載の検出器。
14. 前記基準物室の端は一対の伝導性端インサートによって蓋をされており、前記端インサートと前記室とは前記基準物を機械的に拘束し、前記接地リードは前記端インサートの一方に電気的に接続されている請求項１０に記載の検出器。
15. 前記検出回路は、直列接続された電流計と負荷とバッテリとを有する請求項１０に記載の検出器。
16. 前記検出回路は、前記負荷と前記バッテリとに直列に配置された表示ライトをさらに有し、前記負荷は可変抵抗器と固定抵抗器とを有する請求項１５に記載の検出器。
17. 前記基準物室の端は一対の伝導性端インサートによって蓋をされており、前記端インサートと前記室とは前記基準物を機械的に拘束する請求項１０に記載の検出器。
18. 前記伝導性端インサートの一方を電気的に接続するアンテナをさらに包含する請求項１７に記載の検出器。
19. 基準物を内蔵する基準物室と、帯電源と、前記基準物と電気的連通状態に配置され、一端においてグラウンドに結合された接地リードと、検出回路とを含む検出器を用いて目的物の存否を検出する方法であって、その方法は、
    （ａ）基準物室に内蔵された基準物を機械的に拘束し、
    （ｂ）帯電源を用いて基準物上に静電荷を誘導し、さらに
    （ｃ）前記基準物上の静電荷によって発生される特有の空間勾配パターンと特有の空間パターンとを有する不均一電界内に、前記基準物の誘電特性と同じ誘電特性を持つ目的物が機械的に拘束されている場合に、顕示された誘電泳動力によって前記接地リード内に発生される電流に応じて、検出回路を閉路することを特徴とする方法。

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