JPH05264507A - 電位および磁界などの検出方法ならびにそれに用いる電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 体積導体に電流を流して表面電位または磁界
を測定するとき、直流に非常に近いゆらぎを正確に取り
除くこと。 【構成】 体積導体に与える周期的な信号は、基準レベ
ルと、その基準レベルに関して上下に対称である一対の
波形部分とが周期的に繰返して構成され、検出された電
位または磁界などの時系列的な基準レベルを求めて補間
演算し、こうして補間演算して求めた基準レベルを減算
することによって、一定値に対する前記波形部分の値を
求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電位および磁界などの
電気的物理量を検出するための方法、ならびにそれに用
いる電源に関する。

【０００２】

【従来の技術】電位および磁界などの検出は、たとえば
体積導体の内部の状態を把握したい場合に、必要とな
る。体積導体と言うのは、比較的大きい導体のことであ
って、たとえば生体の電気生理学的活動を模倣したいわ
ゆるファントム実験において用いられる生理食塩水およ
び心電図を測定するために用いられる電極用クリームな
どが挙げられ、あるいはまた鋼管などの金属体などが挙
げられる。従来から、鋼管の内部欠陥などの発見のため
には、超音波探傷法が行われているけれども、このよう
な先行技術では、作業性が悪いという問題がある。

【０００３】体積導体の内部の状態を把握するために、
体積導体に電流を流して表面電位または外部磁界を測定
し、この測定結果から、内部の状態を推定する方法が考
えられる。体積導体に電流を流して表面電位を測定する
と、流した電流による電位以外にも導体自体がもつ直流
に非常に近い電位のゆらぎが重畳する。一方、同様に外
部磁界を測定すると、地磁気都市雑音等の直流に非常に
近い磁界のゆらぎが重畳する。このような電位および磁
界に含まれるゆらぎを除去するためには、デジタルフィ
ルタなどの高次のフィルタを用いなければならず、その
ようにすると、本来検出すべき波形が歪んでしまう結果
になる。したがって実際には、そのようなゆらぎを波形
歪みなく取り除くことは不可能である。フィルタを用い
ることなく、前述のゆらぎを取り除くためには、電位お
よび磁界などの検出出力のたとえば零電位を基準レベル
としていわゆる零レベル補正を行い、零レベルに対する
振幅を検出すればよいことになり、この場合には、この
ような測定は、非常に精度が要求されるので、零レベル
補正を正確に行うことが大変重要である。したがって電
位および磁界などの検出のために正弦波を用いることは
不都合である。この代りに、零レベルに対して一方極性
の方形波を用い、これによって零レベルを正確に設定す
ることが可能であるけれども、このような方形波を用い
ると、寄生容量をもつ体積導体にそのような方形波を与
えたとき、周波数応答が悪く、したがって検出される電
位および磁界などの波形が歪んでしまうという問題があ
り、またそのような寄生容量が充電されてチャージアッ
プしてしまうと、電流が流れなくなってしまい、測定が
不可能になるという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、たと
えば体積導体の電位および磁界などの検出に当り、零レ
ベルの設定を高精度で行うことができるようにし、しか
も寄生容量をもつ体積導体などであっても、その電位お
よび磁界などの検出を可能にする電位および磁界などの
検出方法を提供することである。

【０００５】本発明の他の目的は、このような零レベル
の設定が容易にかつ正確に行うことができるようにした
信号を導出する電位および磁界などの検出のための電源
を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、基準レベル
と、その基準レベルに関して上下に対称である一対の波
形部分とから成る周期的な信号を用いて、検出されるべ
き電位または磁界などを発生し、前記発生された電位ま
たは磁界などを検出し、その検出出力に含まれる時系列
的な基準レベルを求めて補間演算し、前記検出出力か
ら、補間演算して求めた基準レベルを減算することによ
って、一定値に対する前記波形部分の値を求めることを
特徴とする電位および磁界などの検出方法である。

【０００７】また本発明は、基準レベルに関して上下に
対称な波形部分が連続する波形を有する周期的な信号を
発生する信号源と、信号源からの信号を、基準レベルか
ら上下に波形部分の波高値未満の弁別レベルでレベル弁
別し、信号源からの信号が弁別レベル以上では信号源か
らの信号をそのまま導出し、信号源からの信号が弁別レ
ベル未満では予め定める一定値を導出する手段とを含む
ことを特徴とする電位および磁界などの検出のための電
源である。

【０００８】

【作用】本発明に従えば、基準レベルと、その基準レベ
ルに関して上下に対称である一対の波形部分とから成る
周期的な信号を用い、この信号をたとえば体積導体に与
えて検出されるべき電位または磁界などの電気的物理量
を発生し、こうして発生された電位または磁界などを検
出し、この検出出力には、地磁気および都市雑音などの
ゆらぎが含まれており、フィルタを用いることなしに、
このゆらぎを取り除くために、検出出力に含まれる時系
列的な基準レベルを求めて補間演算することによって、
前記波形部分に対応した期間における基準レベルを前記
検出出力から減算することによって、一定値、たとえば
零電位に対する前記波形部分の値を求めることができ、
こうして零レベル補正を正確にかつ容易に行うことがで
きる。

【０００９】また前記周期的な信号は、基準レベルに関
して上下に対称である一対の波形部分を含み、したがっ
て寄生容量を持つ体積導体であっても、チャージアップ
して電流が流れなくなってしまうと言う問題を解決する
ことができる。このような一対の波形部分は、たとえば
正弦波または三角波などの一部分のように、時間経過に
伴ってそのレベルが変化する波形を選ぶことによって、
寄生容量を持つ体積導体などに関連して、そのような周
期的な信号を与えても、検出して得られる波形が歪むこ
とが抑制され、周波数応答を良好にすることができる。

【００１０】さらに本発明に従えば、このような周期的
な信号を発生するために、上下に対称な波形部分が連続
する波形、たとえば前述の正弦波または三角波などを周
期的に信号源から発生し、この正弦波または三角波など
の波形をレベル弁別してその弁別レベル未満の期間では
予め定める一定値、たとえばpeak to peak値の１／２の
値とし、こうして前記一定値を基準レベルと零レベル補
正を容易に行うことが可能になる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の全体の構成を示
す図である。電気絶縁性であってかつ非磁性材料である
たとえば合成樹脂などから成る水槽２１内には体積導体
である生理食塩水２２が貯留されており、この食塩水２
２内に、本発明に従う電流ダイポールを形成する装置２
３が設けられ、定電流による電流ダイポールを形成す
る。この電流ダイポールによって形成される食塩水２２
の表面電位またはその電流ダイポール２３によって形成
される外部磁界は、食塩水２２に接触し、またはその水
面の上方に配置された多数のセンサ２４によって検出す
ることができる。こうしてたとえば電流ダイポール装置
２３は生体の心臓内の興奮部位であるものと想定し、そ
の近傍に生理食塩水と導電率の異なる別の体積導体２５
を配置してその導体２５を肺と想定したときにおける表
面電位または外部磁界の検出を行って、生体を模倣して
異常部分の検出などのファントム実験を行うことが可能
になる。

【００１２】図２は電流ダイポールを形成する装置２３
を拡大して示す簡略化した斜視図であり、図３はその一
部分の縦断面図であり、図４はその一部の水平断面図で
ある。これらの図面を参照して、電流ダイポールを形成
する装置２３は、基本的には筒体２６と、この筒体２６
内で２つの内部空間２７，２８に仕切るための仕切り部
材２９と、これらの仕切り部材２９の近傍で各内部空間
２７，２８に臨んでそれぞれ配置される電極３１，３２
とを含む。筒体２６および仕切り部材２９は、電気絶縁
性であってかつ液体を透過しない材料、たとえば塩化ビ
ニルなどの合成樹脂材料から成り、非磁性である。筒体
２６は水平な一直線状の軸線を有し、軸直角断面が一様
であり、たとえばこの実施例では直円筒状に形成され
る。仕切り部材２９は筒体２６の軸線方向中央位置で、
筒体２６の軸線方向両側の内部空間２７，２８を気密に
仕切る。この仕切り部材２９の内部空間２７，２８に臨
む表面上には、電極３１，３２がそれぞれ配置される。
この電極３１，３２は、耐食性に優れた金属材料、たと
えば金などから成る。筒体２６の仕切り部材２９が設け
られている位置付近には、下方に延びる直円筒状の支持
部材３３が固定され、この支持部材３３は、筒体２６お
よび仕切り部材２９と同様な材料から成る。この支持部
材３３内には、電極３１，３２に電流を供給する被覆電
線３４，３５がより線状で挿入されている。電極３１，
３２は、筒体２６の軸線上に配置され、同一形状を有
し、基本的に小さい形状を有する。

【００１３】電極３１，３２は、被覆電線３４，３５の
端部の被覆層を除去して内部の導線を部分的に露出して
構成されてもよい。被覆電線３４，３５をより線状にす
ることによって、不所望な磁界が生じることを抑制す
る。

【００１４】このような電流ダイポールを形成する装置
２３が水槽２１内に設けられて食塩水２２内に浸漬され
ることによって、筒体２６の内部空間２７，２８には食
塩水２２が入り込み、これによって分布電流は図２の矢
符３７，３８で示されるように流れて、電流ダイポール
が形成される。このような電流ダイポール形成装置２３
を用いることによって、筒体２６の端部４０，４１での
電流に関するキルヒホフの法則に従えば、

【００１５】

【数１】

【００１６】ここでＩｄは電流ダイポール形成装置２３
によって形成される電流ダイポールの端部４０または４
１における電流であり、Ｉｖは食塩水２２内における分
布電流３７，３８の電流密度の値であり、数１の右辺は
Ｉｖの体積導体中での積分値である。したがって本発明
によれば、電流ダイポールの端部４０，４１には電極３
１，３２が存在せず、前述の数１が成立し、この電流ダ
イポールの端部４０，４１を流れる電流は全て、食塩水
２２内を流れる分布電流となる。筒体２６は高精度で一
直線状に構成することが容易であり、こうして筒体２６
の内部に一直線状に電流が流れ、正確に１つの電流ダイ
ポールとして取り扱うことができる。またこのような構
成は実現が容易であり、支持部材３３によって強固に立
設固定することができる。

【００１７】生体内では、電気生理学的作用は（ａ）Ｎ
ａ⁺およびＫ⁺などイオンの移動によって流れる電流ダイ
ポールと、（ｂ）電流に関するダイバージェンスが零で
あることによって体内に流れる分布電流とに大別され
る。分布電流が表面電位を発生させ、また電流ダイポー
ルと分布電流の両者が磁界を発生させる。電気分解など
の化学的作用は、表面電位および外部磁界のいずれをも
発生させない。したがってセンサ２４によって検出され
る表面電位および磁界は、上述の電流ダイポールと分布
電流とのみに依存して検出され、電気分解などの化学的
作用による悪影響が防がれる。電流ダイポールを形成す
る筒体２６の内部空間２７，２８内にもまた、その筒体
２６の外部と同様に食塩水２２が充満しており、このこ
とは生体内の状態をよく反映しており、生体内の状態を
模倣するのに好都合である。

【００１８】本発明の他の実施例として、筒体２６の内
部空間２７，２８には、たとえば心電図検出のための導
電性クリームを充填するなど任意の導電率を得ることが
可能である。このように内部空間２７，２８と筒体２６
の外部との体積導体である媒体を異なるようにしてもよ
い。

【００１９】図５は、本発明の他の実施例の一部の断面
図である。電流ダイポール形成装置２３の筒体２６内に
は、その軸線方向中央位置で、絶縁性の接着剤から成る
仕切り部材４２が設けられる。このような接着剤４２を
筒体２６の軸線方向中央位置と筒状支持部材３３内に充
填することによって、構成の簡略化を図ることができ
る。

【００２０】図６は、電流ダイポール形成装置２３に被
覆電線３４，３５を介して信号を与える電源４３の具体
的な電気的構成を示す電気回路図の一例である。ファン
クションジェネレータ４４は、図７（１）に示されるよ
うに周期的に繰返される正弦波を発生する信号源であ
る。この正弦波は、基準レベル４５に関して上下に対称
な波形部分４６，４７が連続して構成される。基準レベ
ル４５は半周期毎の波形部分４６，４７のpeak to peak
のたとえば１／２であって、一定値である。このファン
クションジェネレータ４４からの周期的な信号は、ライ
ン４８から増幅回路４９を経て切換えスイッチ５０の共
通接点５１に与えられる。切換えスイッチ５０は共通接
点５１に選択的に切換えられる複数（この実施例では
２）の個別接点５２，５３を有し、各個別接点５２，５
３には相互に逆方向性結合されたツェナダイオード５
４，５５；５６，５７が接続される。これらの対を成す
各ツェナダイオード５４，５５；５６，５７を介する信
号はライン５８から増幅回路５９に与えられて増幅され
て、ライン６０からバッファ６１を経て各被覆電線３
４，３５を介して電極３１，３２にそれぞれ与えられ、
こうして定電圧が電極３１，３２に印加されて定電圧バ
イアスされる。

【００２１】電極３１，３２を定電流バイアスするため
には、増幅回路５９からライン６０に導出される信号を
定電流回路６２に与え、ライン６３を介する定電流回路
６２からの出力を、バッファ６４を介して被覆電線３
４，３５から電極３１，３２に与えるようにしてもよ
い。前述のツェナダイオード５４，５５は、同一のツェ
ナ降伏電圧を有し、切換えスイッチ５０を介して図７
（１）に示される正弦波が与えられたとき、ライン５８
には、図７（２）で示される波形を有する信号を導出す
る。一方のツェナダイオード５４は、個別接点５２に与
えられる正弦波を、波形部分４６の波高値Ｖ１未満の弁
別レベルＬ１でレベル弁別し、また他方のツェナダイオ
ード５５がその正弦波の波形部分４７を弁別レベルＬ２
でレベル弁別する。弁別レベルＬ１，Ｌ２はツェナダイ
オード５４，５５のツェナ降伏電圧であって等しく（Ｌ
１＝Ｌ２）、Ｖ１＝Ｖ２である。これによって個別接点
５２に与えられるファンクションジェネレータ４４から
増幅回路４３を介する正弦波の信号は、基準レベル４５
から上下に、波形部分４６，４７の波高値Ｖ１，Ｖ２未
満の弁別レベルＬ１，Ｌ２でレベル弁別し、ファンクシ
ョンジェネレータ４４からの信号が弁別レベルＬ１，Ｌ
２以上であるときには、そのファンクションジェネレー
タからの信号をそのまま期間ｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４に
おいてそのまま導出し、ファンクションジェネレータ４
４からの信号が弁別レベルＬ１，Ｌ２未満である期間ｔ
１以前、ｔ２〜ｔ３、ｔ４〜ｔ５では、予め定める一定
値である基準レベル６５を導出する。この基準レベル６
５は、時刻ｔ１〜ｔ２の波形部分６６と時刻ｔ３〜ｔ４
の波形部分６７とのpeak to peakの１／２であって一定
値である。こうしてライン５８からは、基準レベル６５
とその基準レベル６５に関して上下に対称である一対の
波形部分６６，６７とから成る周期的に繰返す信号を得
ることができる。

【００２２】ツェナダイオード５６，５７は同一のツェ
ナ降伏電圧を有し、前述のツェナダイオード５４，５５
とは異なるツェナ降伏電圧を有し、こうしてライン５８
から導出される波形を変化させることができる。

【００２３】本発明の他の実施例としてファンクション
ジェネレータ４４は図８（１）に示される三角波を発生
するようにしてもよく、これによってツェナダイオード
５４，５５；５６，５７からライン５８に導出される信
号波形は図８（２）に示されるとおりとなり、前述の図
７（２）に示される基準レベル６５に対応した基準レベ
ル６５ａと、その基準レベル６５ａに関して上下に対称
である一対の波形部分６６ａ，６７ａとを有する周期的
に繰返す信号を得ることができる。

【００２４】図９は、センサ２４に関連する構成を示す
測定装置の電気的構成を示すブロック図である。センサ
２４が磁界を検出する場合、各磁気センサ２４からの出
力はマイクロコンピュータなどの処理回路６８に与えら
れる。処理回路６８は図１１に示される動作を行い、た
とえば陰極線管などのような目視表示手段６９に、その
磁界の分布を後述の図１２に示されるように表示する。

【００２５】図１０は、電流ダイポール形成装置２３に
おける電極３１，３２に印加される信号の波形を示し、
これによって磁気センサ２４によって検出される磁界を
表す信号は、図１０（２）に示されるとおりとなる。こ
の磁気センサ２４からの出力は、予め定める基準電位７
０がずれた値Ｖ３を有し、その検出出力は、電源４３か
ら電極３１，３２に与えられる信号の基準レベル６５に
対応した基準レベル７１と、上下に対称な波形部分６
６，６７に対応した波形部分７２，７３とを有する。こ
のようなセンサ２４によって、図１１のステップｎ２
で、磁界強度の検出が行われる。

【００２６】ステップｎ３では、磁気センサ２４の検出
出力に含まれる基準レベル７１の時系列的な値を、図１
０（２）の時刻ｔ１０，ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３，…に
おいて検出し、こうして黒い点で示した離散的な基準レ
ベル７１の値７１ａ〜７１ｄを求める。次のステップｎ
４では、各時刻ｔ１０，ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３，…に
おいてそれぞれ検出された基準レベル７１の値７１ａ〜
７１ｄを補間演算し、図１０（３）のライン７４で示さ
れるように、各検出された基準レベル７１の検出値７１
ａ〜７１ｄを連ねたライン７４を得る。

【００２７】値７１ａ〜７１ｄを検出するには、正のピ
ークを検出し、この検出はフーリエ変換を用いて行う。
このピーク間の時間の１／４と３／４の時刻がゼロレベ
ルの基準時刻になる。たとえばこの基準時刻から前後２
５ｍｓｅｃ（これは駆動周波数によって異なる）のデー
タの平均を基準レベルとしている。

【００２８】そこでステップｎ５では、磁気センサ２４
から得られる図１０（２）で示される検出出力から、補
間演算して得られた図１０（３）のライン７４で示され
るレベルを各時刻毎に減算し、こうしてステップｎ６で
は、図１０（４）に示される減算後の波形を形成して得
る。こうして磁気センサ２４の検出出力に含まれる時系
列的な、すなわち離散的な基準レベル７１のゆらぎをな
くし、各波形部分７２，７２の値を、図１０（４）の参
照符７５で示される一定値７５に対して求めることによ
って、基準レベル７１のゆらぎをなくすことができる。
これによって図１０（４）に示される波形から、各時刻
における磁界強度を、地磁気などの悪影響なしに、正確
に検出することが可能となる。

【００２９】磁気センサ２４に代えて、表面電位などの
検出を行うときもまた同様に、本発明が実施される。

【００３０】図１２は、本件発明者の実験結果を示す等
磁界線図である。電流ダイポール形成装置２３に図１０
（１）に示される信号を電源４３から印加したとき、磁
気センサ２４によって検出される等磁界分布は、図１２
のとおりである。このうち、図１２（１）は、等磁界線
の密度がほぼ均一であり、したがって体積導体２２内に
検出すべき欠陥が存在しないことが判る。これに対して
図１２（２）に示されるように等磁界線の密度が異なる
ときには、体積媒体２２中に、欠陥が生じていることを
知ることができる。

【００３１】図１３は、本発明のさらに他の実施例の簡
略化した斜視図である。この実施例では体積導体である
鋼管７７の表面または内部に存在する欠陥を検出するた
めに、その空間７７の両端部に電極７８，７９を接続
し、電源８０から、電極７８，７９に図７（２）または
図８（２）で示されるような信号を印加する。鋼管７７
の外方には、その鋼管７７の外周面から一定の距離を隔
てた位置に多数のセンサ８１を配置し、これによってこ
の等磁界線図を作成して、欠陥を見つけることができ
る。センサ８１は表面電位を検出する構成を有していて
もよい。

【００３２】本発明は電位および磁界の検出のために実
施されるだけでなく、その他の電気的物理量、たとえば
電界、抵抗などの検出のためにもまた、関連して実施す
ることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、基準レベ
ルと、その基準レベルに関して上下に対称である一対の
波形部分とから成る周期的な信号を、たとえば体積導体
などに関連して与えて検出されるべき電位または磁界な
どの電気的物理量を発生し、その検出された電位または
磁界などに含まれる時系列的な基準レベルを求めて補間
演算し、こうして補間演算して得られる基準レベルを、
前記検出出力から減算することによって、一定値に対す
る前記波形部分の値を求めることが可能になる。これに
よってフィルタなどを用いることなく、検出出力に含ま
れている直流に非常に近いゆらぎを確実に取り除くこと
ができるとともに、その零レベル補正を高精度でかつ容
易に行うことができるようになる。またこのような周期
的な信号を用いることによって、寄生容量を持つ体積導
体などに関連してそのような周期的な信号を与えたとき
においても、周波数応答が良好であって検出出力波形が
歪むことが防がれ、またチャージアップして電流が流れ
なくなってしまういう問題は生じない。

【００３４】また本発明によれば、正弦波または三角波
などのような上下に対称な波形部分が連続する波形の信
号を信号源から発生し、その信号をレベル弁別し、弁別
レベル未満の期間中、予め定める一定値たとえばpeak t
o peak値の１／２の値に保つことによって、簡単な構成
で、基準レベルと、その基準レベルに関して上下に対称
である一対の波形部分とから成る周期的な信号を得るこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体の構成を示す斜視図で
ある。

【図２】電流ダイポール形成装置２３の斜視図である。

【図３】電流ダイポール形成装置２３の一部の縦断面図
である。

【図４】電流ダイポール形成装置２３の水平断面図であ
る。

【図５】本発明の他の実施例の電流ダイポール形成装置
２３の一部の縦断面図である。

【図６】電流ダイポール形成装置２３に与える信号を発
生するための電源４３の電気的構成を示すブロック図で
ある。

【図７】電源４３の動作を説明するための波形図であ
る。

【図８】本発明の他の実施例の電源４３の動作を説明す
るための波形図である。

【図９】磁気センサ２４を含む検出装置の電気的構成を
示すブロック図である。

【図１０】図９に示される検出装置の動作を説明するた
めの波形図である。

【図１１】図９に示される処理回路６８の動作を説明す
るためのフローチャートである。

【図１２】本件発明者の実験結果を示す等磁界線図であ
る。

【図１３】本発明の他の実施例の構成を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

２１ 水槽 ２２ 生理食塩水 ２３ 電流ダイポール形成装置 ２４ センサ ２６ 筒体 ２７，２８ 内部空間 ２９ 仕切り部材 ３１，３２ 電極 ３３ 支持部材 ３４，３５ 被覆電線 ４２ 接着剤 ４３ 電源 ４４ ファンクションジェネレータ ４９ 増幅回路 ５０ 切換えスイッチ ５４，５５，５６，５７ ツェナダイオード ５９ 増幅回路 ６１，６４ バッファ ６２ 定電流回路 ６５，６５ａ，７１ 基準レベル ６６，６７，６６ａ，６７ａ，７２，７３ 波形部分 ７４ 補間演算をしたライン ７５ 一定値

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基準レベルと、その基準レベルに関して
   上下に対称である一対の波形部分とから成る周期的な信
   号を用いて、検出されるべき電位または磁界などを発生
   し、 前記発生された電位または磁界などを検出し、その検出
   出力に含まれる時系列的な基準レベルを求めて補間演算
   し、 前記検出出力から、補間演算して求めた基準レベルを減
   算することによって、一定値に対する前記波形部分の値
   を求めることを特徴とする電位および磁界などの検出方
   法。
2. 【請求項２】 基準レベルに関して上下に対称な波形部
   分が連続する波形を有する周期的な信号を発生する信号
   源と、 信号源からの信号を、基準レベルから上下に波形部分の
   波高値未満の弁別レベルでレベル弁別し、信号源からの
   信号が弁別レベル以上では信号源からの信号をそのまま
   導出し、信号源からの信号が弁別レベル未満では予め定
   める一定値を導出する手段とを含むことを特徴とする電
   位および磁界などの検出のための電源。