JP7048043B2

JP7048043B2 - 非接触測定システム

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Publication number: JP7048043B2
Application number: JP2017250214A
Authority: JP
Inventors: 史郎岩田; 直人今若; 健一野村; 美徳堀井; 洋史牛島; 良作鍛冶
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Shimane Prefecture
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Shimane Prefecture
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: JP2019117070A

Description

本発明は、静電容量型センサを利用して被測定物に起因する静電容量値の変化を非接触で測定するシステムに関する。

従来、物体の導電性の有無や導電率を測定する方法として、金属からなる一対の電極を被測定物に接触させ、電極間に流れる電流を測定する手法があった（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のような電極を被測定物に接触させる手法では、被測定物が電極に付着することが問題となっている。

一方で、特許文献２に記載の手法では、導電率センサを構成する２枚の平板電極を樹脂で覆うことにより被測定物によって電極が汚染されることを防いでいる。

特開平７－５５７４４号公報特開平１１－３０４８５６号公報特開２０１６－１９５８８号公報

K. Nomura, R. Kaji, S. Iwata, 外８名, "A flexible proximity sensor formed by duplex screen/screen-offset printing and its application to non-contact detection of human breathing", Scientific Reports 6, 19947 (2016).

しかし、特許文献２に記載の手法であっても、測定プローブとしての樹脂を被測定物に浸す必要があるため、樹脂への被測定物の付着による悪影響を回避できない。さらに、被測定物が高純度物である場合には、測定プローブの浸漬による被測定物の汚染も問題となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被測定物に起因する静電容量値の変化を非接触で測定することにより、被測定物による汚染を回避する非接触測定システムを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る非接触測定システムは、静電容量型センサと、前記静電容量型センサの静電容量値を測定する測定部と、を備えた非接触測定システムであって、前記静電容量型センサは、静電容量を形成する静電容量型センサ部と、被測定物を配置する被測定物用容器と、を含み、前記静電容量型センサは、前記被測定物用容器に前記被測定物を配置した状態において前記被測定物用容器を隔てて前記被測定物とは接触しないように配置され、前記測定部は、前記被測定物用容器に前記被測定物を配置した状態において前記静電容量型センサの静電容量値を測定することを特徴とする。

本発明に係る非接触測定システムによれば、被測定物に起因する静電容量値の変化を非接触で測定することにより被測定物による汚染を回避することが可能となる。

本発明の実施例１に係る非接触測定システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施例１に係る静電容量型センサの構成の概略図である。本発明の実施例２に係る静電容量型センサの構成の概略図である。本発明の実施例２に係る非接触測定システムにおいて用いた静電容量型センサ部の構成を示す図である。被測定物用容器の近傍に何も配置しない場合、浮遊電極又はグラウンド電極を配置した場合におけるＫＣｌ溶液の濃度に対する静電容量値の変化量を示す図である。本発明の実施例３に係る非接触測定システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施例３に係る非接触測定システムにおいて、被測定物における異常の有無を検出する方法について説明するための図である。本発明の実施例４に係る非接触測定システムにおいて使用される被測定物の濃度と静電容量値の変化量との関係に関する検量線を例示する図である。

（実施例１）
以下、本発明の実施例１に係る非接触測定システムについて説明する。図１は、本発明の実施例１に係る非接触測定システムの構成を示すブロック図を示す。図１に示されるように、本実施例１に係る非接触測定システムは、静電容量型センサ１０１と、静電容量型センサ１０１に所定の周波数で所定の振幅の交流電圧を印加する高周波電源１０２と、静電容量型センサ１０１における電流及び電圧の測定値に基づいて静電容量型センサ１０１の静電容量値を算出する測定部（例えばＬＣＲメータなど）１０３と、を備える。

図２は、本発明の実施例１に係る静電容量型センサ１０１の概略図を示す。図２には、静電容量を形成する静電容量型センサ部１１０と、被測定物１２０を配置する被測定物用容器１３０と、被測定物用容器１３０を支持する支持体１４０と、を備えた静電容量型センサ１０１が示されている。静電容量型センサ部１１０は、被測定物用容器１３０に被測定物１２０を配置した状態において被測定物用容器１３０を隔てて被測定物１２０とは接触しないように配置されている。また、静電容量型センサ部１１０は、高周波電源１０２及び測定部１０３に接続されている。

静電容量型センサ部１１０は、例えば、基材の片面に互いの櫛歯が対向するように形成された２つの櫛歯型電極や基材の両面に互いに対向するように形成され、それぞれ面積が異なる非対称な２つの平板電極で構成された相互容量型の静電容量型センサや、１つの電極で構成され、当該電極と被測定物とで容量を形成する自己容量型の静電容量型センサとすることができる。静電容量型センサ部１１０で用いる基材として、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどで構成された薄膜フィルムとすることができる。また、静電容量型センサ部１１０で使用される検出電極は、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、錫、カーボンなどの導電材料で構成され、スクリーン印刷法などの印刷法、あるいは蒸着法やスパッタリング法など、種々の方法を用いて形成することができる。

静電容量型センサ部１１０は、２つの電極の一方から他方に向かう電気力線で示される電界を利用して検出範囲を定めている。静電容量型センサ部１１０の検出範囲内に導電性を有する物体が入ると、当該物体により電界の一部が吸収されて静電容量型センサ部１１０の静電容量値が減少する。

被測定物１２０は、例えば、食品、化学反応性溶液、高温溶液、乳濁／懸濁溶液等とすることができる。

被測定物用容器１３０及び支持体１４０は、静電容量型センサ部１１０と離間するように被測定物１２０を保持する手段であり、例えば、透明スチロールケースやガラスなどの導電性を有しない材料で構成することができる。本実施例１では、被測定物用容器１３０としてプール型の構成を例示しているが、例えば、被測定物１２０を流入可能に構成された導管型等、その形状や大きさを含めて種々の形態を採ることができる。同様に、本実施例１では、支持体１４０として台のような構成を例示しているが、その形状や大きさを含めて種々の形態を採ることができる。

本実施例１に係る非接触測定システムでは、被測定物用容器１３０に被測定物１２０を配置すると、静電容量型センサ部１１０が形成する電界が被測定物１２０に入射する。被測定物１２０が導電性を有しない場合、静電容量型センサ部１１０が形成する電界が被測定物１２０を透過して静電容量型センサ部１１０における静電容量値は変動しない一方で、被測定物１２０が導電性を有する場合、静電容量型センサ部１１０が形成する電界が被測定物１２０に吸収され、静電容量型センサ部１１０の静電容量値が減少する。そのため、測定部１０３で静電容量型センサ部１１０の静電容量値及びその変化量を測定することにより、例えば、被測定物１２０の導電性の有無、被測定物１２０における異常の有無や被測定物１２０の濃度を測定することができる。

本発明の実施例１に係る非接触測定システムによると、被測定物に起因する静電容量値の変化を非接触で測定することにより、被測定物による汚染を回避することが可能となる。

ここで、支持体１４０の高さは、例えば、被測定物用容器１３０に被測定物１２０を配置した場合に被測定物１２０と静電容量型センサ部１１０とを数ｍｍ程度（例えば７～８ｍｍ）離間するように設定することが検出動作の安定性及び検出感度の観点から好ましいが、本発明の原理及び概念を逸脱しない範囲で適宜設計可能である。

（実施例２）
以下、本発明の実施例２に係る非接触測定システムについて説明する。図３は、本発明の実施例２に係る非接触測定システムで使用される静電容量型センサの概略図を示す。図３には、静電容量型センサ部２１０と、被測定物２２０を配置する被測定物用容器２３０と、被測定物用容器２３０を支持する支持体２４０と、グラウンドに接地されたグラウンド電極２５０と、を備えた静電容量型センサ２０１が示されている。

本実施例２に係る非接触測定システムでは、被測定物用容器２３０の近傍に、被測定物２２０に接触しないようにグラウンド電極２５０が設けられている。グラウンド電極２５０を設けることにより、検出動作の安定性及び検出感度を向上させることが可能となる。

また、本実施例２に係る非接触測定システムでは、静電容量型センサ部２１０として、特許文献３に記載されるような静電容量型センサを用いた。具体的には、図４に示されるように、静電容量型センサ部２１０は、基材２１１と、基材２１１の第１の表面に形成された第１の電極２１２₁と、基材２１１の第１の表面とは反対側の第２の表面に形成された第２の電極２１２₂と、第１の表面において引き出されて第１の電極２１２₁に電圧を印加する第１の引き出し配線２１３₁と、第２の表面において引き出されて第２の電極２１２₂に電圧を印加する第２の引き出し配線２１３₂と、を含む。

実施例２に係る静電容量型センサ部２１０では、第１の電極２１２₁及び第２の電極２１２₂は、それぞれ、第１の引き出し配線２１３₁及び第２の引き出し配線２１３₂を介して、測定部１０３に接続されている。

第１の電極２１２₁及び第２の電極２１２₂並びに第１の引き出し配線２１３₁及び第２の引き出し配線２１３₂は、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル、錫、カーボンなどの導電材料で構成することができ、スクリーン印刷法などの印刷法を用いて形成することができる。

例えば第１の電極２１２₁をシグナル電極とし、第２の電極２１２₂をグラウンド電極として、被測定物用容器２２０がシグナル電極である第１の電極２１２₁側にある場合、グラウンド電極として機能する第２の電極２１２₂の方が第１の電極２１２₁よりも面積が大きくなるように構成されている。

なお、本実施例では、グラウンドに接地されたグラウンド電極を使用した例を示したが、グラウンドに接地されていない浮遊電極を使用した場合でも、検出動作の安定性及び検出感度を向上させることができる。

図５は、被測定物用容器２３０の近傍に何も配置しない場合、浮遊電極又はグラウンド電極を配置した場合におけるＫＣｌ溶液の濃度に対する静電容量値の変化量を示す。図５では、各ＫＣｌ濃度について、ＫＣｌ濃度が０ｍＭの溶液の場合の静電容量値に対する静電容量値の変化量を求めた。

図５に示されるように、浮遊電極又はグラウンド電極を被測定物２２０に接触しないように被測定物用容器２３０の近傍に設けた場合、何も配置しない場合によりも大きな静電容量値の変化量を得ることができ、１ｍＭよりも低濃度領域でも高感度な検出が可能となる。また、図５の結果から、グラウンド電極を設置した場合のほうが浮遊電極を設置した場合よりも大きな静電容量値の変化量を得ることができるため、グラウンド電極を使用することが好ましい。

本実施例２に係る非接触測定システムによると、被測定物による汚染を回避しながら、検出動作の安定性及び検出感度に優れた非接触測定システムを実現することが可能となる。

ここで、グラウンド電極２５０は、被測定物２２０に可能な限り近接させることが検出動作の安定性及び検出感度の観点から好ましいが、グラウンド電極２５０と被測定物２２０との間の距離は本発明の原理及び概念を逸脱しない範囲で適宜設計可能である。

（実施例３）
以下、本発明の実施例３に係る非接触測定システムについて説明する。図６は、本発明の実施例３に係る非接触測定システムの構成のブロック図を示す。図６に示されるように、本実施例３に係る非接触測定システムは、静電容量型センサ３０１と、所定の周波数で所定の振幅の交流電圧を印加する高周波電源３０２と、静電容量型センサ３０１の静電容量値を測定する例えばＬＣＲメータなどの測定部３０３と、制御部３０４と、記憶部３０５と、を備える。本実施例３において、上記実施例で説明した構成要素と同様の構成要素については、同様の構成・機能を有しているため、説明を省略する。

制御部３０４は、測定した静電容量値が所定の検出閾値範囲を超えたか否かを判定し、所定の検出閾値範囲を超えている場合には、被測定物３２０に異常があることを検出することができる。また、制御部３０４は、被測定物３２０に異常があることを検出した場合、例えば、その旨の警告音を発したり、その旨を表示したりする等、所定の警告を行うように警告部（不図示）を制御することができる。

記憶部３０５は、被測定物３２０に異常があるかどうかを判断する基準となる検出閾値範囲を記憶することができる。ここで、「検出閾値範囲」とは、例えば、被測定物用容器３３０に被測定物３２０を配置した状態で、且つ被測定物３２０に異常がない状態で、測定部３０３としてＬＣＲメータを用いて静電容量型センサ３０１の静電容量値の測定を行い、得られた静電容量値を基準に適宜設定することができる。例えば、「検出閾値範囲」は、得られた静電容量値の平均値（μ）と標本標準偏差（σ）から求まる（μ±３σ）を基準に設定することができる（例えば、非特許文献１参照）。

本発明に係る非接触測定システムでは、厳密な検出を必要とする場合、例えば、装置起動時に被測定物ごとに閾値補正（初期キャリブレーション）を行うことにより、検出閾値範囲を被検出物ごとに調整することが好ましく、また、厳密な検出を必要としない場合、例えば、被測定物のある程度の個体差を包含する形で検出閾値範囲を（μ±３σ）を基準に調整することが好ましい。

本実施例３に係る非接触測定システムでは、測定した静電容量値が所定の検出閾値範囲を超えたか否かを判定することにより、被測定物３２０内に被測定物３２０とは導電率が異なる異物が存在しているか、被測定物３２０とは異なる別の物質が誤って投入されていないか等の被測定物３２０における異常の有無を検出することができる。

図７を用いて、本実施例３に係る非接触測定システムにおいて、被測定物３２０における異常の有無を検出する方法について説明する。図７では、静電容量型センサ部３１０として実施例２に係る静電容量型センサ部２１０と同様の構成を有するセンサ、被測定物用容器３３０として透明スチロールケース、基材３１１として厚さ０．１ｍｍのポリエチレンナフタレートフィルム、及び測定部３０３としてＬＣＲメータをそれぞれ用い、被測定物用容器３３０の近傍に被測定物３２０に接触しないようにグラウンド電極３５０を設け、第１の印刷電極３１２₁の直径を１ｍｍとし、第２の印刷電極３１２₂の直径を１８ｍｍとし、１ＭＨｚ、振幅１Ｖの交流電圧を印加して静電容量値を測定した。また、検出閾値範囲は、事前に被測定物３２０を配置して測定した静電容量型センサ３０１の静電容量値に基づいて（μ±３σ）に設定した。

図７では、被測定物３２０を被測定物用容器３３０に配置した状態から、被測定物３２０とは導電率が異なる異物を混入させている。図７に示すように、被測定物３２０を被測定物用容器３３０に配置した状態で、被測定物３２０に異物を混入させた場合、異物混入直後に静電容量値が検出閾値範囲を超えたことを制御部３０４が検出する。このように、制御部３０４は、静電容量値が検出閾値範囲を超えたことを検出することにより、被測定物３２０に異物が混入して被測定物３２０に異常が発生したことを検出することができる。

本実施例３に係る非接触測定システムによると、非接触な手法により、被測定物による汚染を回避しながら、被測定物における異常の有無を検出することが可能となる。

（実施例４）
以下、本発明の実施例４に係る非接触測定システムについて説明する。本実施例４に係る非接触測定システムは、図６で示した構成と同様の構成を有しており、被測定物の濃度を測定することができる。本実施例４においては、特に言及する場合を除き、上記実施例で説明した構成要素と同様の構成要素については同様の構成・機能を有しているため、説明を省略する。

本実施例４では、制御部３０４は、測定部３０３で測定した静電容量値の変化量から、被測定物３２０の濃度と静電容量値の変化量との関係に関する検量線に基づいて、被測定物３２０の濃度を算出することができ、その濃度を表示部（不図示）に表示することができる。また、記憶部３０５は、被測定物３２０の濃度と測定部３０３が測定する静電容量値の変化量との関係に関する検量線を記憶することができる。

図８を用いて、本発明の実施例４に係る非接触測定システムにおいて、被測定物の濃度を測定する際に使用する検量線を例示する。図８では、図７で用いた静電容量型センサと同様のセンサを用い、被測定物用容器３３０に、被測定物３２０として酢酸、ＨＣｌ、ＮａＯＨ、Ｎａ₂ＨＰＯ₄、ＫＣｌ、スクロースの水溶液を注入し、各々について濃度が０ｍＭの溶液の場合の静電容量値に対する静電容量値の変化量ΔＣを測定することにより、酢酸、ＨＣｌ、ＮａＯＨ、Ｎａ₂ＨＰＯ₄、ＫＣｌ、スクロースに関する濃度の検量線を求めた。

図８に示されるように、電離度が大きい強電解質であるＨＣｌ、ＮａＯＨ、Ｎａ₂ＨＰＯ₄、ＫＣｌは０．１～１ｍＭ付近で静電容量値が大きく変化しており、電離度が小さい弱電解質である酢酸は１～１０ｍＭ付近で静電容量値が大きく変化している。一方で、スクロースは、電離しないため、濃度を変化させても静電容量値が変化していない。

被測定物３２０について事前に試験をして図８に示すような検量線を記憶部３０５に事前に記憶しておき、実際の測定における静電容量値の変化量ΔＣと事前に記憶した被測定物３２０の検量線とを比較して、被測定物３２０の検量線において、当該変化量ΔＣに対応する濃度を被測定物３２０の濃度とすることにより、被測定物３２０の濃度を算出することが可能となる。

本実施例４に係る非接触測定システムでは、静電容量値の変化が顕著に現れる濃度となるように被測定物を適宜希釈して、静電容量値を測定することが好ましい。

本実施例４に係る非接触測定システムによると、非接触な手法により、被測定物による汚染を回避しながら被測定物の濃度を測定することが可能となる。

Claims

静電容量型センサと、前記静電容量型センサの静電容量値を測定する測定部と、記憶部と、制御部とを備え、
前記静電容量型センサは、静電容量を形成するセンサ部と、被測定物を配置する被測定物用容器と、浮遊電極又はグラウンド電極である第３の電極と、を含み、
前記静電容量型センサは、前記被測定物用容器に前記被測定物を配置した状態において前記被測定物用容器を隔てて前記被測定物とは接触しないように配置され、
前記センサ部は、基材と、前記基材の第１の表面に形成された第１の電極と、前記基材の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に形成された第２の電極とを含み、前記第１の電極は、前記第２の電極より前記被測定物用容器の近くに配置されたシグナル電極であり、前記第２の電極は、前記第１の電極より面積が大きなグラウンド電極であり、
前記被測定物用容器の底面は前記センサ部に対向するように配置され、前記センサ部と前記第３の電極とは、前記被測定物用容器を挟んで対向するように配置され、
前記記憶部は、含有する電解質の濃度が既知の液体について前記測定部によって測定される静電容量値の変化量と前記電解質の濃度との関係を示す検量線を予め記憶し、前記電解質は、濃度変化に応じて前記静電容量値の変化が生じる強電解質又は弱電解質であり、
前記制御部は、前記被測定物について前記測定部によって測定された静電容量値に対応する濃度を前記検量線から決定して前記被測定物での前記電解質の濃度とする
ことを特徴とする非接触測定システム。
静電容量型センサと、前記静電容量型センサの静電容量値を測定する測定部と、記憶部と、制御部とを備え、
前記静電容量型センサは、静電容量を形成するセンサ部と、被測定物を配置する被測定物用容器と、浮遊電極又はグラウンド電極である第３の電極と、を含み、
前記静電容量型センサは、前記被測定物用容器に前記被測定物を配置した状態において前記被測定物用容器を隔てて前記被測定物とは接触しないように配置され、
前記センサ部は、基材と、前記基材の第１の表面に形成された第１の電極と、前記基材の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に形成された第２の電極とを含み、前記第１の電極は、前記第２の電極より前記被測定物用容器の近くに配置されたシグナル電極であり、前記第２の電極は、前記第１の電極より面積が大きなグラウンド電極であり、
前記被測定物用容器の底面は前記センサ部に対向するように配置され、前記センサ部と前記第３の電極とは、前記被測定物用容器を挟んで対向するように配置され、
前記記憶部は、前記被測定物とは導電率が異なる異物が混入していない状態で、前記測定部によって測定される前記静電容量値の範囲を示す検出閾値範囲を予め記憶し、
前記制御部は、前記被測定物について測定された前記静電容量値が前記検出閾値範囲内にないと判定した場合に、前記被測定物に異物が混入していると判定する
ことを特徴とする非接触測定システム。