JP6142918B2 - 近傍電界プローブとその制御システムおよび圧電性結晶探知装置 - Google Patents
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Description
はじめに、近傍電界プローブについて説明する。
図1は本発明の単一周波数タイプの近傍電界プローブの構成を示しており、(a)は概略図(右図:上面図、左図:断面図)であり、(b)は(a)に示したコンデンサ11の構成を模式的に示す断面図である。
コンデンサ11には、電界の形成に好適な平行平板型のコンデンサが用いられる。具体的には、一定間隔に離して固定された2枚の金属板の間に空気や誘電体(テフロン(登録商標)などのポリテトラフルオロエチレン、ガラスエポキシ樹脂等)が挿入されて構成されている。そして、金属板間の距離や面積、誘電体の種類を適宜変更することにより、コンデンサの容量(C)を調節することができる。
インダクタ12は、トロイダルコアに導線が巻き付けられて構成されている。導線の巻き付け方を調整することにより、所望するインダクタンス(L)を有するインダクタ12を形成することができる。
上記のように構成された近傍電界プローブ1は、交流電界の送信および圧電効果信号の受信の両方が可能であり、インダクタンス(L)、容量(C)、抵抗(R)に基づいて、対象とする圧電性結晶に対応した共振周波数に設定される。例えば、インダクタンスL=80.8μH、容量C=167pF、R=6.8Ωの場合には、共振周波数は1.37MHzに設定される。なお、対象の圧電性結晶の共振周波数は、形状および圧電性結晶の種類によって異なり、同じ種類の圧電性結晶であっても、結晶粒子の大きさなどによっても異なる。具体的には、数センチメートル程度の大きな粒子の場合はkHz帯、数ミリ程度の小さな粒子の場合はMHz帯に共振周波数を持つ。
次に、複数周波数タイプの近傍電界プローブについて説明する。複数周波数タイプの近傍電界プローブは、前記の平行板型コンデンサが2つ以上用いられ、それぞれのコンデンサに、トロイダルコアを用いたインダクタが別々に付けられている。図2に、2つの共振周波数を持つ近傍電界プローブの概略(右図:上面図、左図:断面図)を示す。
次に、グラジオ構造型近傍電界プローブについて説明する。図3にグラジオ構造型近傍電界プローブの概略(右図:上面図、左図:断面図)を示す。グラジオ構造型近傍電界プローブ4は、同じ形状、大きさのコンデンサ41aと41bが並列に並べられて、極性が互いに逆になるように接続されている。具体的には、等しい2つの平行平板型のコンデンサを平面上に並べ、各コンデンサ表裏への接続関係が互いに逆になるように接続されて、グラジオ構造が構成されている。なお、図3において、43は同軸ケーブル、44は銅箔製の金属板、45はポリテトラフルオロエチレンの誘電体である。
次に、近傍電界プローブを制御する制御システムの基本的な構成について説明する。
図4は単一周波数タイプの近傍電界プローブとその制御システムの構成の一例を示す回路図であり、近傍電界プローブと制御システムの回路(制御回路)により圧電性結晶探知装置が構成されている。
図5〜図7は、それぞれ、複数周波数タイプの近傍電界プローブとその制御システムの構成の一例を示す回路図であり、複数の周波数の励振パルス信号を同時に送信する必要があるため、複数の送信アンプを備えている点が図4に示した単一周波数用の制御回路と異なる。
近傍電界プローブを電磁界シールド環境で使用した場合、外部からのノイズが低減するため、受信回路からのノイズを小さくすることで、圧電効果信号の受信感度を高めることができる。しかしながら、直列共振回路に直列に受信アンプを入れた場合、受信アンプ由来のノイズが近傍電界プローブに含まれる抵抗から生じる熱雑音に対して支配的になる問題がある。
a.単一周波数パルスシーケンス
前記したように、圧電性結晶からの圧電効果信号を発生させるには、それぞれの結晶に固有の機械的な共振周波数に対応した交流電界を印加する必要がある。ただし、圧電効果信号は、励振用交流電界に比べ、非常に微弱である。
共振周波数が異なる複数の圧電性結晶を同時に励振させるには、前記のように、複数の周波数成分を含む交流電界を同時に送信する必要がある。このような場合には、図10に示すようなシ−ケンスにより、複数の周波数成分を含む交流電界の送信時間、送信間隔を同じにすることで、交流電界の送信後に、周波数が異なる圧電効果信号を受信する。さらに、周波数が異なる交流電界を送信する際に、それぞれの位相を毎回リセットすることにより、同時取得した各々の圧電効果信号に対して積算を行うことができる。
共振周波数が異なる複数の圧電性結晶を同時に励振させるためには、図11に示すようなシ−ケンスにより、送信信号の周波数を変調させてもよく、この場合も、送信信号は、毎回位相をリセットすることにより、圧電効果信号の積算を行うことができる。ただし、周波数変調幅は、プローブの帯域内にすることが望ましい。
共振回路に正弦バースト波(連続正弦波の強度をパルス変調した波)を入力した場合、共振回路の電圧、電流は共振回路のQ特性により、時定数t=Q/(πf)(但し、fは被変調波の周波数)の立ち上がり、立ち下がりの遅延が発生するため、圧電性物質から発生する微弱な信号が、立ち下がり時の送信信号に隠れて、検出の開始時間が遅れることがある。このように検出の開始時間が遅れると、圧電効果信号は指数関数的に時間と共に減衰するため、圧電効果信号の受信感度の劣化を招いてしまう。
次に、上記の近傍電界プローブおよび制御システムを備えた圧電性結晶探知装置について説明する。図14は本実施の形態に係る圧電性結晶探知装置の構成を示すブロック図であり、図15は本実施の形態に係る圧電性結晶探知装置の斜視図である。
次に、本実施の形態に係る圧電性結晶探知装置の具体的な用途について説明する。
本発明者等は覚醒剤などの不正薬物の探知に対して検出効率の良い周波数帯域を見つけており、ハンディタイプの近傍電界プローブを対象物にかざすだけで、圧電効果信号を十分な検出感度で得ることができるため、本実施の形態の圧電性結晶探知装置を不正薬物探知装置として用いることにより、覚醒剤などの不正薬物の探知に特に威力を発揮することが期待される。
圧電性結晶が埋め込まれた物体を鍵とし、これを圧電性結晶探知装置にかざして、鍵と圧電性結晶探知装置との間で送受信を行うことにより認証・解錠できる非接触鍵システムは、高いセキュリティー性能を有しているため、非接触鍵システムとして好ましい。
次に、本実施の形態において近傍電界プローブの周りに発生する電界強度について説明する。図16に、単一周波数用近傍電界プローブ(A)、金属板の上面中央部に開口部を設けた単一周波数用近傍電界プローブ(B)、グラジオ構造型近傍電界プローブ(C)の周りに発生する電界強度を示す。なお、図16は、各近傍電界プローブに用いられている平行板コンデンサに瞬時振幅で1000Vの高周波が印加された場合を仮定し、EMSS社製3次元電磁界解析シミュレータ(FEKO)を用いて計算した結果で、中央の水平な2本の平行な線がコンデンサを表している。
次に、近傍電界プローブから送信される波形について説明する。送信アンプ入力信号を送信アンプに入力し、その出力電圧を近傍電界プローブに印加することにより、近傍電界プローブから交流電界が生成される。
図17に、単一周波数タイプの近傍電界プローブを用いて、1.35MHzの交流電界信号が送信電界信号として送信された場合の送信波形を示す。なお、この波形は、近傍電界プローブの近傍に設置された別の電界プローブにより受信して得られた励振用送信パルス(正弦バースト波)の波形である。
図18に、複数周波数タイプの近傍電界プローブを用いて、2つの異なる周波数(1.35MHzおよび1.37MHz)の交流電界信号を送信電界信号として同時送信した場合の送信波形を示す。
前記したように、電磁シールド外で近傍電界プローブを使用する場合には、30m離れた位置における電界強度が100μV/m以下にする必要がある。
次に、圧電効果信号である近傍電界プローブからの受信について説明する。
圧電性結晶を検知するには、検知すべき結晶サイズと印加する交流電界の周波数の凡その関係を事前に調べておく必要がある。図21に、人工水晶を用いて、幅を変化させた場合における圧電効果信号の周波数(共振周波数)の変化を計測した結果を示す。なお、図21において、横軸には幅の逆数を取っている。
図2に示した2つの共振周波数を持つ近傍電界プローブを、2つの異なる共振周波数で共振するロッシェル塩結晶に近づけたときに、近傍電界プローブが受信する圧電効果信号の周波数スペクトルを計測した結果を図25に示す。
周波数を変調することで、圧電性結晶を励振できる周波数帯域を増やすことができる。変調が無い場合とある場合について、図1に示す近傍電界プローブを用いて複数のロッシェル塩結晶(粒径1〜5mm)からの圧電効果信号を受信し、その強度を計測した結果を、図27に示す。
前記した通り、グラジオ構造により、遠方での電界強度を、グラジオ構造で無い場合と比べて10〜50分の1程度に減衰できるが、近傍電界でも減衰することが、電磁界シミュレータ等より判明している。
広範囲に分布している圧電性結晶を検出する場合には、図29に示すような圧電性結晶探知装置を用いることにより圧電性結晶を効率よく検出して探知することができる。
トロイダルコアを用いずに空芯のコイルからなるインダクタを用いて近傍電界プローブを作製した場合、コイルから生成される近傍磁界により、金属などから磁気リンギングが観測される場合がある。
近傍電界プローブを用いた検査において、誘電体や導電体が近くにあると、近傍電界プローブで検知したい圧電効果信号とは別に、圧電効果に由来しない外部ノイズが大きくなる場合がある。それにより感度が低下し、圧電性結晶の検出が困難になることがある。このため、同じ近傍電界プローブを用いて、人体や大きな金属などの導電体を検出することができれば、検査装置の感度の低下を事前に知ることができ、圧電性結晶が検出されないという誤検査を防止することができる。
11、21a、21b、41a、41b コンデンサ
12、22a、22b、42a、42b インダクタ
13、23a、23b、43 同軸ケーブル
24、44、111a、111b 金属板
111c 開口部
25、45、112 誘電体
113 保護板
7 圧電性結晶探知装置
72 制御システム
73 パーソナルコンピュータ
C1、C2 コンデンサ
D1、D2、D3、D4、D5、D6 ダイオード
P1、P2 送信用平板電極
S 検査対象
Claims (13)
- 互いに平行に配置された2枚の金属板の間に誘電体または空気が満たされたコンデンサと、トロイダルコアに導線が巻き付けられて構成されたインダクタとを直列に接続した所定の共振周波数を有する直列共振回路を備えており、前記直列共振回路に交流電圧を印加することで発生する前記コンデンサからの漏れ電界由来の近傍電界を圧電性結晶に送信し、前記圧電性結晶を励振すると共に、励振された前記圧電性結晶から発生する圧電効果信号を、前記コンデンサにより受信して、前記直列共振回路により前記圧電効果信号を検出するように構成されていることを特徴とする近傍電界プローブ。
- 前記コンデンサを構成する2枚の金属板のうち、前記圧電性結晶に対向させる側の金属板の中央部分に開口部を設けていることを特徴とする請求項1に記載の近傍電界プローブ。
- 前記直列共振回路が、異なる共振周波数を有する複数の直列共振回路から構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の近傍電界プローブ。
- 前記複数の直列共振回路の各々が、各直列共振回路に対応する共振周波数の交流電圧が入力されることにより、共振するように構成されていることを特徴とする請求項3に記載の近傍電界プローブ。
- 前記複数の直列共振回路が、変調された交流電圧を入力することにより、共振するように構成されていることを特徴とする請求項3に記載の近傍電界プローブ。
- 同じ形状および大きさのコンデンサが並列して2つ配置され、それぞれのコンデンサには、同じ形状および大きさの前記インダクタが接続されており、前記コンデンサのそれぞれが、互いに、極性が逆になるように接続されて、グラジオ構造型に構成されていることを特徴とする請求項1に記載の近傍電界プローブ。
- 前記直列共振回路が、さらに前記コンデンサと並列に接続されている第2コンデンサを有し、前記第2コンデンサの一端は送受信切替スイッチを介してグラウンドに接続され、かつ送信アンプ及び受信アンプを有する高感度受信用制御回路が設けられ、
前記高感度受信用制御回路は、
送信時には、送信アンプを近傍電界プローブに直列に接続すると共に受信アンプを切り離し、受信時には、送信アンプを切り離し、受信アンプを近傍電界プローブに対して直列に接続するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の近傍電界プローブ。
- 前記直列共振回路に、送信信号の終了後近傍電界プローブに発生する過渡現象の立ち下がり時間を短縮させるように構成された送信用アンプ回路が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の近傍電界プローブ。
- 請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の近傍電界プローブを制御する近傍電界プローブの制御システムであって、所定の共振周波数を有する前記直列共振回路に交流電圧を印加することで、発生する前記コンデンサの漏れ電界に由来する近傍電界を、前記近傍電界プローブから送信して、前記圧電性結晶を励振させる一方、励振された前記圧電性結晶から発生する圧電効果信号を、前記コンデンサにより受信して、前記直列共振回路により前記圧電性結晶の有無あるいは性質を検出することを特徴とする近傍電界プローブの制御システム。
- 請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の近傍電界プローブおよび請求項9に記載の近傍電界プローブの制御システムを備え、圧電性結晶の有無あるいは性質を探知することを特徴とする圧電性結晶探知装置。
- 不正薬物探知装置であることを特徴とする請求項10に記載の圧電性結晶探知装置。
- 非接触鍵システムに用いられることを特徴とする請求項10に記載の圧電性結晶探知装置。
- 請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の近傍電界プローブが、平行に配設された平板電極の間に複数配置されていることを特徴とする圧電性結晶探知装置。
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