JP6293019B2 - 導電体センサおよび導電体の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１の導電体とその背後にある第２の導電体のそれぞれの位置を検出する導電体センサおよび導電体の検出方法に関するものである。

コイルで磁界を励磁し、金属膜等の導電性膜に磁界を放射すると、導電性膜に渦電流が生じる。このとき、コイルと導電性膜との距離を変化させると、コイルのＱ値およびインピーダンス等の電気特性が変化する。したがって、以上のような原理を利用すれば、導電性膜の位置を検出することが可能である。
しかし、導電性膜の背後に導電体が配置されている場合、コイルから磁界を放射すると、導電性膜と導電体の両方に渦電流が生じる。そのため、導電性膜と導電体のいずれの位置も正確に検出できないという問題があった。

そこで、発明者は、導電性膜とその背後にある導電体のそれぞれの位置を検出可能な導電体センサを提案した（特許文献１）。この導電体センサは、周波数が異なる第１、第２の磁界を放射する２つのコイルと、導電体および導電体の手前に配置された導電性膜に第１の磁界を照射した場合の、コイルの電気特性と、導電体および導電性膜の位置との第１の関係と、導電体および導電性膜に第２の磁界を照射した場合の、コイルの電気特性と、導電体および導電性膜の位置との第２の関係とを保存する関係記憶装置と、導電体および導電性膜に第１の磁界を照射した場合のコイルの電気特性および第１の関係に基づき、導電体および導電性膜の位置の第３の関係を算出し、導電体および導電性膜に第２の磁界を照射した場合のコイルの電気特性および第２の関係に基づき、導電体および導電性膜の位置の第４の関係を算出する関係算出部と、第３の関係および第４の関係に共通する、導電体および導電性膜の位置の組み合わせを特定する特定部とを備えている。

特開２０１３−０１５３５４号公報

しかし、特許文献１に開示された従来の導電体センサでは、互いに離間して配置された２つのコイルを必要とするため、導電体および導電性膜の一箇所の点を測定することができないという第１の問題点があった。従来の導電体センサでは、第１のコイルによって測定した点の導電体および導電性膜の位置と、第２のコイルによって測定した点の導電体および導電性膜の位置とを合成した結果を、最終的な測定結果として出力する。したがって、従来の導電体センサでは、導電体と導電性膜のうち少なくとも一方の位置が場所によって変動していると、測定結果に誤差を生じることになる。

また、従来の導電体センサでは、第１のコイルによる測定と第２のコイルによる測定を同時に行うと、第１のコイルから放射する第１の磁界が第２のコイルによる測定に影響を与え、第２のコイルから放射する第２の磁界が第１のコイルによる測定に影響を与えるので、第１のコイルによる測定と第２のコイルによる測定を同時に行うことができない場合があるという第２の問題点があった。したがって、従来の導電体センサでは、リアルタイムに測定できない場合があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、２つの導電体のそれぞれの位置をリアルタイムかつ高精度に測定することができる導電体センサおよび導電体の検出方法を提供することを目的とする。

本発明の導電体センサは、特定の周波数の磁界を測定対象の第１の導電体および第１の導電体の背後にある第２の導電体に放射する磁界放射器と、この磁界放射器から前記第１、第２の導電体に磁界を放射したときに、前記磁界放射器を構成するコイルのインピーダンスの実部と虚部を測定するインピーダンス測定手段と、コイルのインピーダンスの実部と、第１の導電体の位置および第２の導電体の位置との第１の関係、並びにコイルのインピーダンスの虚部と、第１の導電体の位置および第２の導電体の位置との第２の関係を予め記憶する記憶手段と、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの実部の測定結果と前記記憶手段に記憶された第１の関係とから、第１の導電体の位置と第２の導電体の位置との第３の関係を導出すると共に、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの虚部の測定結果と前記記憶手段に記憶された第２の関係とから、第１の導電体の位置と第２の導電体の位置との第４の関係を導出する関係導出手段と、前記第３の関係と前記第４の関係とから、前記測定対象の第１の導電体の位置と第２の導電体の位置を求める特定手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の導電体センサの１構成例において、前記第１、第２の導電体の位置は、前記コイルとの距離で表されるものである。
また、本発明の導電体センサの１構成例において、前記第１の導電体の位置は、前記第１の導電体と前記第２の導電体との距離で表されるものであり、前記第２の導電体の位置は、前記第２の導電体と前記コイルとの距離で表されるものである。
また、本発明の導電体センサの１構成例において、前記関係導出手段は、前記第３の関係を近似した関数と前記第４の関係を近似した関数を求め、前記特定手段は、前記第３の関係を近似した関数と前記第４の関係を近似した関数との交点を計算し、この交点における第１の導電体の位置と第２の導電体の位置を特定することを特徴とするものである。

また、本発明の導電体の検出方法は、特定の周波数の磁界を磁界放射器から測定対象の第１の導電体および第１の導電体の背後にある第２の導電体に放射する磁界放射ステップと、前記第１、第２の導電体に磁界を放射したときに、前記磁界放射器を構成するコイルのインピーダンスの実部と虚部を測定するインピーダンス測定ステップと、コイルのインピーダンスの実部と、第１の導電体の位置および第２の導電体の位置との第１の関係、並びにコイルのインピーダンスの虚部と、第１の導電体の位置および第２の導電体の位置との第２の関係を予め記憶する記憶手段を参照し、前記インピーダンス測定ステップで測定したインピーダンスの実部の測定結果と前記記憶手段に記憶された第１の関係とから、第１の導電体の位置と第２の導電体の位置との第３の関係を導出すると共に、前記インピーダンス測定ステップで測定したインピーダンスの虚部の測定結果と前記記憶手段に記憶された第２の関係とから、第１の導電体の位置と第２の導電体の位置との第４の関係を導出する関係導出ステップと、前記第３の関係と前記第４の関係とから、前記測定対象の第１の導電体の位置と第２の導電体の位置を求める特定ステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、１つのコイルで測定を行うことができるので、第１、第２の導電体の一箇所の点について第１の導電体と第２の導電体のそれぞれの位置を測定することができる。また、本発明では、１つの周波数の磁界を用いて１回測定を行えばよい。したがって、本発明では、第１の導電体と第２の導電体のそれぞれの位置をリアルタイムかつ高精度に測定することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る導電体センサの構成を示すブロック図である。 コイルのインピーダンスの実部と、導電体とコイルとの距離および導電性膜と導電体との距離の関係の１例を示す図、並びにコイルのインピーダンスの虚部と、導電体とコイルとの距離および導電性膜と導電体との距離の関係の１例を示す図である。 コイルのインピーダンスの実部の測定結果から導出した導電体とコイルとの距離と、導電性膜と導電体との距離の関係の１例を示す図、およびコイルのインピーダンスの虚部の測定結果から導出した導電体とコイルとの距離と、導電性膜と導電体との距離の関係の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る特定部の処理を説明する図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る導電体センサの構成を示すブロック図である。本実施の形態の導電体センサは、特定の周波数の磁界を測定対象の導電性膜２０（第１の導電体）とその背後にある導電体２１（第２の導電体）とに放射する磁界放射器１と、磁界放射器１から導電性膜２０および導電体２１に磁界を放射したときに、磁界放射器１を構成するＬＣ共振回路１０のコイル１２のインピーダンスの実部と虚部を測定するインピーダンス測定部２と、コイル１２のインピーダンスの実部と、導電体２１とコイル１２との距離ＳＤおよび導電性膜２０と導電体２１との距離Ｆの第１の関係、並びにコイル１２のインピーダンスの虚部と、導電体２１とコイル１２との距離ＳＤおよび導電性膜２０と導電体２１との距離Ｆの第２の関係を予め記憶する記憶部３と、コイル１２のインピーダンスの実部の測定結果と記憶部３に記憶された第１の関係から、距離ＳＤと距離Ｆとの第３の関係を導出すると共に、コイル１２のインピーダンスの虚部の測定結果と記憶部３に記憶された第２の関係から、距離ＳＤと距離Ｆとの第４の関係を導出する関係導出部４と、第３の関係と第４の関係から、導電体２１とコイル１２との距離ＳＤおよび導電性膜２０と導電体２１との距離Ｆを求める特定部５と、特定部５が求めた測定結果を出力する測定結果出力部６とを備えている。

測定対象の導電性膜２０および導電体２１のそれぞれは、金属または非金属の導電体からなる。導電性膜２０および導電体２１の材料は同じでもよいし異なっていてもよい。導電性膜２０の厚さＴ１、導電体２１の厚さＴ２は既知の値であるものとする。本実施の形態では、磁界放射器１から放射された磁界が導電性膜２０を透過して導電体２１に達する必要があるため、磁界の放射に応じて導電性膜２０に流れる電流の角周波数によって決まる表皮深さよりも、導電性膜２０の厚さＴ１が十分に薄い必要がある。例えば板状の導電体２１は、この表皮深さより厚くてもよいし薄くてもよい。導電性膜２０の厚さＴ１と導電体２１の厚さＴ２とは同じでもよいし異なっていてもよい。

磁界放射器１は、導電性膜２０と対向し、導電性膜２０とその背後にある導電体２１に対して磁界を放射可能な位置に配置される。例えば導電性膜２０が電池の電極などに用いられる帯状の金属箔で、導電体２１が金属箔の搬送用の金属製ローラであるとすれば、この帯状の金属箔を製造する製造現場において、搬送装置によって図１の左右方向に移動中の金属箔とその背後にある金属製ローラのそれぞれの位置をリアルタイムで測定するために本実施の形態の導電体センサが設置される。

磁界放射器１は、ＬＣ共振回路１０と、電源１１とから構成される。ＬＣ共振回路１０は、コイル１２と、コイル１２に接続された図示しないキャパシタとを有する。このようなＬＣ共振回路１０に電源１１から電力を供給すると、ＬＣ共振回路１０が固有の共振周波数で共振する現象が生じ、コイル１２から導電性膜２０および導電体２１に向かって交流磁界が放射され、導電性膜２０および導電体２１に渦電流が発生する。渦電流による電気エネルギの損失は、コイル１２のインピーダンスを変化させる。このインピーダンスの変化は、導電体２１とコイル１２との距離ＳＤおよび導電性膜２０と導電体２１との距離Ｆに依存する。磁界放射器１から導電性膜２０および導電体２１に放射する磁界の周波数は、導電性膜２０および導電体２１の測定にとって都合の良い周波数に設定すればよい。本実施の形態では、磁界の周波数を８００ｋＨｚとしている。

インピーダンス測定部２は、磁界放射器１から導電性膜２０および導電体２１に磁界を放射したときに、コイル１２のインピーダンスの実部Ｒと虚部Ｘを測定する。なお、本実施の形態では、実際にはコイル１２のインピーダンスの虚部Ｘを測定した後に、この虚部Ｘの測定結果を所望のパラメータ、具体的には自己インダクタンス成分Ｌに変換している。このようなインピーダンス測定は周知の技術である。

記憶部３は、コイル１２のインピーダンスの実部と、導電体２１とコイル１２との距離ＳＤおよび導電性膜２０と導電体２１との距離Ｆの関係（第１の関係）、並びにコイル１２のインピーダンスの虚部と、導電体２１とコイル１２との距離ＳＤおよび導電性膜２０と導電体２１との距離Ｆの関係（第２の関係）を予め記憶している。

図２（Ａ）に第１の関係の１例を示し、図２（Ｂ）に第２の関係の１例を示す。図２（Ａ）の関係は、測定対象として想定される導電性膜２０と同じ材料で同じ厚さの実験用導電性膜と、測定対象として想定される導電体２１と同じ材料で同じ厚さの実験用導電体とを用意し、図１と同様に実験用導電性膜の背後に実験用導電体を配置して、実験用導電体とコイル１２との距離ＳＤ［ｍｍ］および実験用導電性膜と実験用導電体との距離Ｆ［μｍ］を変化させながら磁界放射器１から実験用導電性膜および実験用導電体に周波数８００ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１２のインピーダンスの実部Ｒ［Ω］を距離ＳＤ毎および距離Ｆ毎に測定することにより得られたものである。図２（Ａ）の例では、実験用導電性膜と実験用導電体との距離Ｆが２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍの４種類の組み合わせについてインピーダンスの実部Ｒを測定している。

図２（Ｂ）の関係は、図２（Ａ）の場合と同じ実験用導電性膜および実験用導電体を用いて、実験用導電体とコイル１２との距離ＳＤ［ｍｍ］および実験用導電性膜と実験用導電体との距離Ｆ［μｍ］を変化させながら磁界放射器１から実験用導電性膜および実験用導電体に周波数８００ｋＨｚの磁界を放射し、コイル１２のインピーダンスの虚部（誘導リアクタンス）の自己インダクタンス成分Ｌ［μＨ］を距離ＳＤ毎および距離Ｆ毎に測定することにより得られたものである。上記のとおり、図２（Ｂ）の縦軸は虚部Ｘそのものではなく、虚部Ｘの自己インダクタンス成分Ｌとなっている。以上のような図２（Ａ）、図２（Ｂ）の関係を示すデータが記憶部３に予め登録されている。

次に、関係導出部４は、インピーダンス測定部２が測定したコイル１２のインピーダンスの実部の測定結果と、記憶部３に予め記憶された第１の関係（図２（Ａ））とから、距離ＳＤと距離Ｆとの関係（第３の関係）を導出する。また、関係導出部４は、インピーダンス測定部２が測定したコイル１２のインピーダンスの虚部の測定結果と、記憶部３に予め記憶された第２の関係（図２（Ｂ））とから、距離ＳＤと距離Ｆとの関係（第４の関係）を導出する。

図３（Ａ）に第３の関係の１例を示し、図３（Ｂ）に第４の関係の１例を示す。図３（Ａ）の関係は、図２（Ａ）に示した第１の関係から、インピーダンス測定部２が測定したコイル１２のインピーダンスの実部Ｒの測定結果（本実施の形態ではＲ＝８Ω）に対応する距離ＳＤの値を距離Ｆ毎（Ｆ＝２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ）に取得することにより得られたものである。

図３（Ｂ）の関係は、図２（Ｂ）に示した第２の関係から、インピーダンス測定部２が測定したコイル１２のインピーダンスの虚部Ｘの測定結果（本実施の形態では虚部Ｘの自己インダクタンス成分Ｌ＝１３５μＨ）に対応する距離ＳＤの値を距離Ｆ毎に取得することにより得られたものである。

なお、後述のように第３の関係を近似した関数と第４の関係を近似した関数との交点を計算する必要があるので、関係導出部４は、第３、第４の関係を導出した後に、第３の関係を近似した関数と第４の関係を近似した関数を求める必要がある。このような関数は例えば最小二乗法によって求めることができる。

特定部５は、関係導出部４が導出した第３、第４の関係から、導電体２１とコイル１２との距離ＳＤおよび導電性膜２０と導電体２１との距離Ｆを求める。図４は特定部５の処理を説明する図である。距離ＳＤと距離Ｆを求めるためには、図４に示すように第３の関係線（図４の４０）と第４の関係線（図４の４１）とを重ね合わせて、第３の関係線と第４の関係線との交点（図４の４２）における距離ＳＤと距離Ｆの値、すなわち第３、第４の関係に共通する値を特定すればよい。

具体的には、特定部５は、関係導出部４が第３の関係を近似した関数と第４の関係を近似した関数とを導出しているので、この第３の関係を近似した関数と第４の関係を近似した関数との交点を計算し、この交点における距離ＳＤと距離Ｆの値を特定すればよい。この特定した値が、図１に示す導電体２１とコイル１２との距離ＳＤおよび導電性膜２０と導電体２１との距離Ｆとなる。図４の例によると、距離ＳＤは１．５７ｍｍ、距離Ｆは６０μｍとなる。

測定結果出力部６は、特定部５が求めた測定結果を出力する。出力方法としては、例えば測定結果を表示したり、測定結果の情報を外部に送出したりする方法がある。

本実施の形態では、１つのコイル１２で測定を行うことができるので、導電性膜２０および導電体２１の一箇所の点について距離ＳＤと距離Ｆを測定することができる。また、本実施の形態では、１つの周波数の磁界を用いて１回測定を行えばよい。したがって、本実施の形態では、導電体２１の位置（導電体２１とコイル１２との距離ＳＤ）と導電性膜２０の位置（導電性膜２０と導電体２１との距離Ｆ）をリアルタイムかつ高精度に測定することができる。

なお、本実施の形態では、コイル１２のインピーダンスの虚部Ｘ（リアクタンス）の自己インダクタンス成分Ｌを用いているが、虚部Ｘそのものを用いてもよい。この場合は、図２（Ｂ）の縦軸が虚部Ｘ［Ω］となる。周知のとおり、虚部Ｘと自己インダクタンスＬとは、Ｘ＝ωＬ（ωは角周波数）の関係にある。
また、本実施の形態では、導電性膜２０の位置は、導電性膜２０と導電体２１との距離Ｆで説明したが、導電性膜２０とコイル１２との距離であってもよい。

本実施の形態で説明した導電体センサの記憶部３と関係導出部４と特定部５と測定結果出力部６とは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、導電性膜とその背後にある導電体のそれぞれの位置を検出する技術に適用することができる。

１…磁界放射器、２…インピーダンス測定部、３…記憶部、４…関係導出部、５…特定部、６…測定結果出力部、１０…ＬＣ共振回路、１１…電源、１２…コイル、２０…導電性膜、２１…導電体。

Claims (8)

1. 特定の周波数の磁界を測定対象の第１の導電体および第１の導電体の背後にある第２の導電体に放射する磁界放射器と、
   この磁界放射器から前記第１、第２の導電体に磁界を放射したときに、前記磁界放射器を構成するコイルのインピーダンスの実部と虚部を測定するインピーダンス測定手段と、
   コイルのインピーダンスの実部と、第１の導電体の位置および第２の導電体の位置との第１の関係、並びにコイルのインピーダンスの虚部と、第１の導電体の位置および第２の導電体の位置との第２の関係を予め記憶する記憶手段と、
   前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの実部の測定結果と前記記憶手段に記憶された第１の関係とから、第１の導電体の位置と第２の導電体の位置との第３の関係を導出すると共に、前記インピーダンス測定手段が測定したインピーダンスの虚部の測定結果と前記記憶手段に記憶された第２の関係とから、第１の導電体の位置と第２の導電体の位置との第４の関係を導出する関係導出手段と、
   前記第３の関係と前記第４の関係とから、前記測定対象の第１の導電体の位置と第２の導電体の位置を求める特定手段とを備えることを特徴とする導電体センサ。
2. 請求項１記載の導電体センサにおいて、
   前記第１、第２の導電体の位置は、前記コイルとの距離で表されるものであることを特徴とする導電体センサ。
3. 請求項１記載の導電体センサにおいて、
   前記第１の導電体の位置は、前記第１の導電体と前記第２の導電体との距離で表されるものであり、
   前記第２の導電体の位置は、前記第２の導電体と前記コイルとの距離で表されるものであることを特徴とする導電体センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の導電体センサにおいて、
   前記関係導出手段は、前記第３の関係を近似した関数と前記第４の関係を近似した関数を求め、
   前記特定手段は、前記第３の関係を近似した関数と前記第４の関係を近似した関数との交点を計算し、この交点における第１の導電体の位置と第２の導電体の位置を特定することを特徴とする導電体センサ。
5. 特定の周波数の磁界を磁界放射器から測定対象の第１の導電体および第１の導電体の背後にある第２の導電体に放射する磁界放射ステップと、
   前記第１、第２の導電体に磁界を放射したときに、前記磁界放射器を構成するコイルのインピーダンスの実部と虚部を測定するインピーダンス測定ステップと、
   コイルのインピーダンスの実部と、第１の導電体の位置および第２の導電体の位置との第１の関係、並びにコイルのインピーダンスの虚部と、第１の導電体の位置および第２の導電体の位置との第２の関係を予め記憶する記憶手段を参照し、前記インピーダンス測定ステップで測定したインピーダンスの実部の測定結果と前記記憶手段に記憶された第１の関係とから、第１の導電体の位置と第２の導電体の位置との第３の関係を導出すると共に、前記インピーダンス測定ステップで測定したインピーダンスの虚部の測定結果と前記記憶手段に記憶された第２の関係とから、第１の導電体の位置と第２の導電体の位置との第４の関係を導出する関係導出ステップと、
   前記第３の関係と前記第４の関係とから、前記測定対象の第１の導電体の位置と第２の導電体の位置を求める特定ステップとを含むことを特徴とする導電体の検出方法。
6. 請求項５記載の導電体の検出方法において、
   前記第１、第２の導電体の位置は、前記コイルとの距離で表されるものであることを特徴とする導電体の検出方法。
7. 請求項５記載の導電体の検出方法において、
   前記第１の導電体の位置は、前記第１の導電体と前記第２の導電体との距離で表されるものであり、
   前記第２の導電体の位置は、前記第２の導電体と前記コイルとの距離で表されるものであることを特徴とする導電体の検出方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の導電体の検出方法において、
   前記関係導出ステップは、前記第３の関係を近似した関数と前記第４の関係を近似した関数を求めるステップを含み、
   前記特定ステップは、前記第３の関係を近似した関数と前記第４の関係を近似した関数との交点を計算し、この交点における第１の導電体の位置と第２の導電体の位置を特定するステップを含むことを特徴とする導電体の検出方法。

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