JPH10508375A - 非導電性材料の電荷運搬能力を測定する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 棚待ちの間若しくは低速度状態遷移の間、または使用する間、高インピーダンス材料の橋架け重合の程度を検出する方法であって、この高インピーダンス材料と基準材料（２２）とにセンサ（２１）を通してテスト信号（Ｖａｐｐｌ）を印加する過程（２０）と、基準電圧として高インピーダンス材料と基準材料とに印加された試験信号（Ｖａｐｐｌ）から電位差を求める過程（３４）と、高インピーダンス材料内で生じた化学的変化の程度を表す相対的指標と前記電位差の相関関係を求める過程とを有する。更に、この方法を実施する装置も開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】 非導電性材料の電荷運搬能力を測定する装置及び方法技術分野 本発明は、非導電性材料の電荷運搬能力を測定する装置及び方法に関する。 本発明は、塗料、歯科用樹脂、Ｂステージ樹脂、コンクリート、誘電性流体、 食品などの、通常は非導電性の材料の電荷運搬能力を求める方法に関する。より 詳しくは、本発明は、利用者が、急速な状態遷移以外での、与えられた材料の、 化学的変化の程度、即ち（塗料、接着剤及び長鎖高分子）の硬化の程度、（誘電 流体の）残りの使用可能年数、及びその他の条件を求めることができるようにす る、通常は非導電性の半流動体の電荷運搬能力の変化を検出する方法に関する。背景技術 低導電率の高分子材料での橋架け重合の程度を検出する方法は、熱硬化性樹脂 が適切に硬化する時刻を求めるために、熱硬化性樹脂を用いる業界において広く 用いられるようになってきた。これらの樹脂は、航空機産業用、建築業用、自動 車製造業用、医療用、接着剤として、及びモールド過程における製造の容易さ、 耐候性、構造上の頑健性、強度といった半永久的な特徴によって、競合する金属 、セラミック、及びその他の化合物を上回る特長がもたらされる殆ど全ての用途 に、用いられてきた非常に有用な複数の合成樹脂を形成する。歯科用の樹脂には 、液体の状態で歯に施されその後赤外線照射若しくはその他の公知の方法によっ て高分子化される充填材料が含まれる。多くの塗料は、ブラシ若しくはエアガン によって塗布されるための均一な液体の状態であるか否かによって使用できるか 否かが決まる熱硬化性樹脂の形態となっている。建築 用部材製造用、及び住宅建設用等のマッチドダイ・フィラメントワインディング ・トランスファ法、レイアップ法、及びプルトルージョン法は、ファイバを湿潤 化し若しくは液体の状態でモールドキャビティを急速に満たす可流動条件を保つ ことに依存している。 樹脂における橋かけ重合を求めるための試験が、いつ樹脂が適正に固化したか 、即ちいつ樹脂が可流動樹脂から熱硬化した固体に状態遷移するかを試験するた めに開発されてきた。これらの樹脂材料は、通常、硬化ステージの前にこの樹脂 材料が最小の橋かけ結合を生ずるという低粘性液体状態として製造される。勿論 、熱硬化する化合物を半永久的な硬質構造に硬化させることによって状態遷移を 引き起こすこの橋かけ重合は、これらの合成樹脂を特徴付けるものである。重合 体の橋かけ重合は普通は高温のもとにおいて生じ、一般に硬化ステージと呼ばれ ている。 化合物を取り扱う業界において、熱硬化ポリマの硬化サイクルをモニタし、制 御し、かつ最適化することが注目されている。即ち、実際の硬化過程において、 粘度計、赤外線メータ、及びマイクロ誘電計を用いて、橋かけ重合を測定するこ とが知られている。この測定の期間は、樹脂材料を完全に硬化させるべく樹脂材 料を高温度にさらすということを特徴とする。急速に状態を遷移させる場合に主 に注目される点は、ゲル化点を確認し、次に硬化ステージが完了する最終ステー ジを確認することによって、生成物を必要以上の硬化時間及び硬化状態に置くこ となく取り出すということである。これによって、高価な装置を有効に利用する ことが可能となり、更に製造された部材が、橋かけ重合が完了する前に取り出さ れるということがなくなる。 硬化ステージの間に熱硬化樹脂での橋かけ重合を測定することが重要である一 方、プレ硬化ステージで、即ち、樹脂が製造されてから硬化す るまでの間で生ずる橋かけ重合の程度を求めることもまた重要である。目的物の 貯蔵寿命と呼ばれるこの期間の間、樹脂はポリマの橋かけ重合を経てある状態か ら他の状態へ非常に緩やかに遷移する。しかし、本発明が考案される以前には、 非導電性の液体及び準液状の物体（即ち、貯蔵寿命若しくは緩やかな状態遷移ス テージの間の物体）の測定は、たとえ可能であったとしても、橋かけ重合を防止 するために液体が保持されている周囲温度もしくは低温度においては実用的でな くかつコストの高いものであるということが当業者に信じられていた。 生成物が使用されていない間に発生する硬化の量を知ることは重要であり、そ の理由は、時期尚早の硬化によって材料を更に加工することが不可能となる半永 久的な非可逆的状態に至るからである。勿論、実際に、熱硬化樹脂の時期尚早な 硬化がおこるので、材料は廃棄される。安全上の理由から部分的に硬化した材料 が廃棄されなければならない産業界においては、これらの損失はよりいっそう多 くなる。例えば、既に部分的に硬化した樹脂からの高性能の要求される航空機用 の部材を製造することは、部材の構造を脆弱化し、生命を危険にさらすものであ る。従って、過剰にプレ硬化が生じたかもしれないという疑惑のために、少なか らぬ量の良質な樹脂が廃棄されることもままある。 殆どの樹脂が、本質的に製造中に橋かけ重合を開始し、かつ最終的に硬化する までそのような橋かけ重合が続くので、このプロセスを検証しかつ制御するべく 測定が行われる。主な制御は、反応速度を最小化するために樹脂を低い温度に保 つことである。この低い温度の環境は、材料が最終的に硬化するための準備が整 うまで保持されなければならない。残念ながら、樹脂材料の外観からは、この低 い速度の状態遷移（プレ硬化）ステージの間に生ずる硬化の程度はわからない。 もし貯蔵の間に温 度変化が生じた場合、その影響は計り知れないものとなる。樹脂などが保たれる 低い温度は、低速度の状態遷移の発生を知るための橋かけ重合解析法の利用を妨 げる主な要因であり、その理由は、低温度の樹脂の液体が橋かけ重合の十分な指 標を提供せず、またはその指標がバックグラウンドノイズに隠れてしまうという ことが当業者に信じられてきたからである。 塗料及び接着剤と共に、粘度は、低速度の（プレ硬化）橋かけ重合の状態遷移 の許容できる程度を知るための測定方法をも提供する。一般的に、樹脂材料の貯 蔵寿命は、材料が固まるために若しくは流動を防ぐための十分な粘性を得るため に必要とされる時間によって決定される。しかしながら、現在のところ、塗料及 び接着剤の橋かけ重合の実際の状態を求める試験方法はない。現在の方法は、上 述されたように材料の粘性を定性的に試験する方法、若しくは特定の用途に用い られる樹脂の性能を求めるために標本抽出テストを実行するものである。 樹脂強化化合物用のマトリクス材料で用いられているポリマでは、橋かけ重合 が生ずる間には２つの異なる期間がある。第１の期間は（材料の）貯蔵期間と呼 ばれ、第２の期間は硬化サイクルと呼ばれる。樹脂強化熱硬化化合物の利用者は 、低速度の状態遷移（プレ硬化）ステージの累積的な橋かけ重合の状態を求める ための幾つかの機械的な試験を開発してきた。例えば、粘性及びドレープ特性が 、硬化の存在の指標を与える。これらの試験は、非常に主観的かつ信頼性の低い ものとして知られているが、また殆ど定量的な値を有することのない最も良好で 広く用いられている定性的な指標として知られている。 化合物材料用の熱硬化樹脂のより特定された用途は、繊維強化材に樹脂を含浸 し、次にこの「プレプレグ」若しくは「Ｂステージ」材料を後 に使用するために貯蔵することである。明らかに、このＢステージ材料は、主に 温度の影響を受ける連続して生ずる橋かけ重合の速度によってその貯蔵寿命が限 定される。橋かけ重合の程度を明らかにするためにこのＢステージ材料を試験す ることが、現在のところ困難で、本質的で、かつ材料に関して浪費的である。Ｂ ステージ材料の橋かけ結合がある特定の段階に達していた場合、その材料はもは や利用できるものではなく、橋かけ結合の実際の量に基づいてではなく、貯蔵時 間に基づいて廃棄されなければならない。低速度の状態遷移（貯蔵寿命）の間に 、橋かけ結合に関する情報を利用者が得られるようにする装置及び方法を提供す ることにより、材料の浪費及び欠陥品の発生を最小にするための、樹脂、接着剤 、塗料などの測定を繰り返して行うことができる。 従って、貯蔵寿命の間に若しくは低速度状態遷移期間の間に橋かけ重合の程度 を求めるべく、即ち材料の状態をより有効に求めることを可能とするべく、導電 率の低い材料若しくは非導電性の材料を測定するための有効な装置及び方法が必 要とされている。そのような装置及び方法によって、その意図する目的に対して どの材料が安全かつ効果的に用いることができ、どの材料を廃棄しなければなら ないかを決定するための定量的な判断が行われる。発明の開示 本発明の目的は、任意の抵抗性ポリマでの橋かけ重合の程度を求めることので きる装置及び方法を提供することである。 本発明の他の目的は、上述されたように、低い温度に保たれている材料のプレ 硬化／貯蔵寿命／低速度状態遷移の間に効果的に用いることのできる、橋かけ重 合を最小にするための装置及び方法を提供することである。 本発明の更に他の目的は、塗料、接着剤、抗菌剤、歯科用樹脂、化合物用の樹 脂、コンクリート、食品、及びその他の導電率の低い若しくは非導電性の流体に 用いることのできる材料の電荷運搬能力を連続して検出する装置及び方法を提供 することである。 本発明の更に他の目的は、実際のあらゆる状況に応じて有効に用いることので きる廉価な装置を上述された目的に用いることのできる装置及び方法を提供する ことである。 これらの目的及び他の目的は、高インピーダンス材料の化学的な変化を検出す る方法によって実現される。この方法は、（ａ）インピーダンスのレベルと、材 料内の化学的及び物理的な変化の程度を表す対応するサンプル電圧を求めるべく 、低速度状態遷移ステージの高分子材料にセンサを通してテスト信号を供給する 過程と、（ｂ）基準電圧を決定するべく、一定の抵抗値を有する基準材料にセン サを通して同じテスト信号を供給する過程と、（ｃ）低速度状態遷移ステージの 高分子材料に供給されたテスト信号と、基準電圧として基準材料に供給されたテ スト信号との差である電位差を求める過程と、（ｄ）その低インピーダンスステ ージからその高インピーダンスステージへの高分子材料の比較可能な起こりうる 範囲の電圧に対する前記電位差の比較に基づいて、高分子材料で生じた化学的／ 物理的な変化の程度の相対的な指標として、前記電位差を関係付ける過程とを有 する。 本発明の他の様相は、低速度状態遷移ステージの材料の電荷運搬能力を試験す る装置であって、前記装置は、テストされるべき材料の定量的データを受け取る ように適合された既知のインピーダンスを有するセンサを備えた、低周波数・低 振幅信号を発生する信号発生器を有する。基準材料が用いられ、この基準材料は 、予め決められた化学的及び／また は物理的変化が生じた場合の材料の既知のインピーダンスと概ね等しい抵抗を有 する。この装置は、センサを通して高分子材料から検出された信号と、センサを 通して基準材料から検出された信号との電位差を求める電圧手段を有する。前記 電位差を、材料内で生じた化学的及び／または物理的変化の程度を表す要因に変 換するための手段が設けられており、前記電圧手段に接続されている。 本発明の他の目的及び特徴は、添付の図面を参照した好適な実施例に関する以 下の詳細な説明に基づき、及びそれらの電荷運搬能力に基づき、材料の状態を求 めるための異なる材料のインピーダンスを求めるために用いられた好適な実施例 の幾つかの例に基づいて当業者には明らかとなる。図面の簡単な説明 第１図は、本発明の様々な機能的な特徴を表すブロック図である。 第２図は、本発明の好適な実施例を提供する回路の模式図である。 第３図は、本発明の他の実施例のブロック図である。 第４図は、発生した化学的／物理的変化をモニタリングする開示された回路に 用いられるセンサの分解図である。 第５図は、本発明の目的を達成するために用いられたセンサと回路が組み合わ された他の実施例を表している。 第６図は、プレプレグ材と組み合わされた本発明の他の実施例を表す図である 。発明を実施するための最良の形態 本出願の発明の発明者は、材料のプレ硬化・貯蔵寿命・低速度状態遷移ステー ジの間においてさえも任意の抵抗性材料の橋かけ重合の程度を求めることができ るこを見いだした。特に、本発明は、一般に物体の貯 蔵寿命若しくはプレ硬化ステージ（高分子材料に対して）と呼ばれる低速度状態 遷移ステージの間に、高インピーダンス材料の化学的変化を検出する方法である 。当業者には評価されるように、生成物の局所的な変化はこの期間に亘って非常 に緩やかに進行し、本発明が考案される以前は、このような変化は不可能ではな いにせよ、材料のインピーダンスを測定することによって検出することは非実用 的であると考えられてきた。そいて、熱硬化樹脂に関する業界では、硬化した材 料を形成するために樹脂に熱若しくはその他の形式のエネルギーを加える硬化ス テージと呼ばれる急速な状態遷移の間でのインピーダンスが用いられてきた。 高分子材料を解析するために用いられる場合、本発明の第１の過程は、インピ ーダンスのレベルと、材料での橋かけ重合の程度を表す対応するサンプル電圧と を求めるべく、低速度状態遷移ステージの高分子材料にセンサを通してテスト信 号を供給する過程を含む。通常、このテスト信号は、オームの法則Ｉ＝Ｅ／Ｒに 基づく高分子材料の抵抗に反比例する振幅を有する電流からなる。高分子材料の 抵抗を測定するための他の方法も同様に用いることができる。 このテスト信号は、高分子材料と接触する状態で挿入された噛合する電極セン サを用いることによって高分子材料に直接供給される。互いに噛合する電極の関 係以外は、プローブの形状は重要ではない。その一方の端子が電圧源に接続され た任意の導電性材料がプローブとして用いられる。センサが高抵抗の樹脂若しく はその他の高抵抗の高分子材料に用いられている場合、このプローブは、静電界 から遮蔽するために、センサの周りに設けられたシールド手段によって遮蔽され るべきである。このシールド手段は、通常、銅から構成されているが、アルミ、 ニッケル、鋼若しくは錫などが用いられてもよい。使用される材料に関わらず、 こ のシールド手段は試験される高分子材料と接触するプローブの部分を遮蔽してい なければならない。 この方法の次の過程は、一つ前の過程において供給された信号と等しいテスト 信号を、一定の値の抵抗器などの基準材料にセンサを通して供給するものである 。これによって、この過程の定量的な特徴が提供される。この基準材料は、基準 電圧を定めるべく一定の抵抗値を有するものでなければならない。低速度状態遷 移ステージの高分子材料に供給されたテスト信号と、基準電圧として基準材料に 供給されたテスト信号との電位差が求められる。この電位差は、最小の橋かけ重 合でのその低インピーダンスステージから全体の橋かけ重合における最大のイン ピーダンスの高インピーダンスステージまでの比較可能な起こり得る範囲のンピ ーダンスらに対して行われた電位差の大きさの比較に基づき、高分子材料の化学 的及び／また物理的変化、例えば高分子材料内で生じた橋かけ重合の程度を表す 相対的指標として働く。 橋かけ重合の実際の程度を表す指標を得るための電位差を発生させる機構には 様々なものが用いられてもよい。添付の図面に例示された好適な技術は、交流電 圧を直流電流に変換し、この直流電流をディスプレイ装置に入力して、このディ スプレイ装置が高分子材料の橋かけ重合の程度に関する値を直接出力する。この 直接出力は、低インピーダンスにおいて約０．５ボルト、高インピーダンスにお いて０ボルトの範囲の直流電圧を有し、少なくとも約１×１０⁴オームの大きさ の範囲を表す。この値は１０⁸オームまでとされてもよい。 テスト信号は、２０ボルトピークツーピーク未満の低い振幅を有しかつ周波数 １０Ｈｚ未満の低周波信号を発生させ、この信号を低速度状態遷移ステージの高 分子材料に供給し、かつこの信号を基準材料に供給す ることによって供給される。更に他の好適な実施例では、このテスト信号は、約 ０．１Ｈｚから５Ｈｚの低周波数と、１０ボルトピークツーピーク未満の振幅の 信号からなる。 第１図及び第２図は、本発明の実施例を表しており、この実施例において、高 分子材料と基準材料は電圧ドライバとして１つの回路内に構成されており、この 回路の出力電圧は、高分子材料と基準材料とを合わせた全体のインピーダンスに 対する基準材料のインピーダンスの比に比例する。この回路は、材料の新鮮ステ ージ（即ち、低速度状態遷移ステージの始まり）から状態遷移ステージの後まで の１０⁴オームのオーダーの抵抗の変化を検出することができる。このような範 囲は、樹脂、プラスチック、塗料、接着剤、及び抗菌剤において典型的な値であ る。更に、この回路は、任意の場所において新鮮ステージの検出を開始するため に１０³オームから１０⁸オームまでに調節され、任意の場所において状態遷移ス テージの後で１０⁷オーム１０¹³オームまでの値となって終了することができる 。 第１図は、信号発生器２０が正弦波波形発生器からなり、サンプルセンサ２１ 及び試験される被覆された高分子材料に供給される１Ｈｚの１ボルトピークツー ピークの信号（Ｖａｐｐｌ）を出力する。この信号は次に基準抵抗器２２に供給 される。これらの機能ブロックの間の電圧Ｖ_dは次にバッファ２４及びフィルタ ２５を通過し、その後に結果として出力された信号Ｖｆがピーク検出器２６によ って直流に変換される。Ｖ_out２７は次に、約０．５ボルト（低抵抗に対して） から０ボルト（高抵抗に対して）までの範囲の直流電圧を出力する。例示された 回路は、約１×１０⁴オームの範囲を検出することができる。 第３図には、本発明の他の実施例が例示されている。当業者には容易 に理解されることであるが、橋かけ重合の程度に関する出力電圧を提供するため に、差動増幅器が用いられている。信号発生器３０が、高分子材料に接触してい るサンプリングセンサ３１と高分子材料の橋かけ重合の予め決められた程度を表 示する基準３２とに並列に供給されている。サンプリングセンサ３１と基準回路 ３２とを通過すると、これら信号は、おのおの差動増幅器３４の第１入力と第２ 入力とに供給される。差動増幅器３４は、サンプリングセンサ３１と基準回路３ ２とから出力された電圧の差を表す電圧Ｖ_out３５を出力する。結果がディスプ レイ装置３６に表示され、このディスプレイ装置３６からは利用者が高分子材料 内の橋かけ重合の程度を確認することができる。当業者には、出力信号を濾波す るためにバッファとフィルタとが用いられてもよいことが分かる。通常、バッフ ァ及びフィルタは差動増幅器３４の後段に接続される。 この装置の重要な部分は、基準回路と組み合わされた高分子材料によって被覆 されたセンサである。このセンサのある実施例が第４図に例示されている。この 装置は、上側ケース４０と下側ケース４１とこれらケース内に収納された噛合型 電極センサコンポーネント４２とを有する。接触ピン４４はセンサコンポーネン トの接触部４５、４６、及び４７に電気的に接続されている。接触部４５は接地 電位であり、接触部４６及び４７には橋かけ重合の程度を表す電位差Ｖ_Dが出力 されている。これらの接続部４６及び４７は、各々噛合型電極４８及び４９に接 続されている。抵抗値の実際の測定は、材料の抵抗値を設定するための導電性パ スを形成するために２つ若しくはそれ以上の個数の隣接する電極４８に、試験さ れる高分子材料５０を配置することによって行われる。噛合型電極は、標準的な 方法で基板上にエッチング若しくはめっきされている。ピン４４は接続線によっ て第２図に例示された回路の適切な接触部と接 続されている。 符号２２及び３２は、低抵抗状態の材料とセンサとからなる幾何学的手段のイ ンピーダンスとほぼ等しくなるように選択された一定の抵抗値の抵抗器を表して おり、材料がその高抵抗状態に達したときに同じ値のインピーダンス値となる。 代わりに、この参照符号は、橋かけ重合の程度を表すその他の任意の値であって よい。即ち、この参照符号は、特定の用途のための高分子材料の最大の許容可能 な橋かけ重合を表すものである。表示装置は、その値が超過したか否かを利用者 に表す。しかしながら、典型的な実施例では、比率は幾何学的手段に対して与え られる。このように、センサと基準値とは、単純な電圧デバイダを形成する。こ の電圧デバイダからの出力電圧は、センサと基準抵抗器との全インピーダンスに 対する基準抵抗器の値の割合に比例するものであり、以下の式１によって表され る。 Ｖｄ∝Ｒｒ／（Ｒｒ＋Ｚｓ） （式１） Ｖｄ＝電圧デバイダの出力電圧 Ｒｒ＝基準抵抗値 Ｚｓ＝インピーダンス 第２図に関して特別な考察が行われることが適切である。例えば、電圧基準ス テージの目的は、単に、演算増幅器ステージを疑似二重供給モードで動作させる ことである。これは、この回路がセンサに供給される直流のオフセットを伴わな い交流信号を出力するにもかからわず、バッテリーから電源を供給されているか らである。抵抗器Ｒ５は、複数回転のトリム型ポテンショメータである。一定の 振幅の信号を発生するポイントに、発振器のゲインを調節することが必要である 。 選択された演算増幅器は、１０¹²オーム台の入力インピーダンスを有 しかつ＋３ボルトから動作するものでなければならない。本発明の試験を実施す るために選択された演算増幅器は、テキサスインスツルメンツ社の「ＴＳＣ２７ Ｍ４ＡＩＮ」である。バッファ段は、電圧デバイダの出力電圧Ｖｄが印加される ことを防ぐものでなければならない。バッファ段はローディングインピーダンス を約１０¹⁵オームに上昇させる。このフィルタ段は、回路全体の帯閾幅を制限す るものである。これによって殆どのストレイ電圧及び全ての静電界に対するノイ ズ感度を低減させる。このために、外装は注意深くシールドされていなければな らない。 電源を投入された時、発振段は自動的に発振を開始するものでなくてもよく、 また不連続的にスタートするものであってもよい。これは、Ｒ８を基準接地電位 から切り離し再び接続することによって実行される。Ｖ_outは急速に変化しない ということに注意しなければならない。従って、新たなまたは異なるセンサをテ ストする場合、Ｃ４は瞬間的に放電され、次に通常の状態に戻されなければなら ない。これは、電圧Ｖ_outをその最終的な値により急速に到達させることによっ て行われる。 上述された構成は、プレ硬化ステージにある高分子材料の橋かけ重合の程度を 検出するための装置の代表例であり、（１）低周波小振幅信号を発生する信号ジ ェネレータと、（２）前記信号ジェネレータに接続され、試験される高分子材料 のコーティングを受容する既知のインピーダンスを有するセンサと、（３）既知 の量の橋かけ重合が存在する場合の高分子材料のインピーダンスと概ね等しい抵 抗を有し、典型的には、この幾何学的手段は、この低抵抗状態と、高分子材料の その予測されるインピーダンスを有することになる十分に硬化した状態の高抵抗 状態との間にあり、（４）センサによって高分子材料から検出された信号と、セ ンサによって基準材料から検出された信号との間の電位差を求める電圧 手段とを有する。変換手段は前記電圧手段に接続され、高分子材料において生じ た橋かけ重合の程度を表すファクタとして前記電位差を変換する。ディスプレイ 手段は、前記変換手段に接続されて、実時間モードで橋かけ重合の程度を視覚的 に表示するために用いられてもよい。 この装置は、様々な技術を用いてモニタリングされる高分子材料と関係付ける ことができる。例えば、高分子材料のサンプル４０は、第４図に例示されている ようにセンサの電極に直接配置されてもよい。このセンサは、ピン４４を第５図 に例示されたハンドヘルド型リーダのようなモニタリング装置５１内に単に挿入 することによって、いつでも橋かけ重合の程度がチェックできるように、モニタ リングされる高分子材料に半永久的に取り付けることができる。このリーダ５１ は、第２図に例示された回路、若しくは第３図の回路と類似の回路を含み、信号 ジェネレータ用の電源をも含む。読み出された値は次に、高分子材料のインピー ダンスの正確な値を示すＬＣＤ５２に表示され、従ってサンプルが到達している 高分子材料の状態が正確に示される。以下に説明されるようにこの装置は、接着 剤、塗料、コーキング剤、食品、誘電流体、及びその他の様々な材料の一塊の輸 送貨物に関しても用いることができる。読み出された値が表示されると、センサ ２１は再び材料に戻され、更に高分子材料のモニタリングを行うために用いられ る。 代わりに、回路及びセンサは、第６図に例示されたように小型の形態可能なユ ニットのハウジング内に収納されてもよい。この実施例では、モニタリングされ る高分子材料５６に直接結合された携帯可能なユニットとして、装置５５が構成 されている。高分子材料５６がプレプレグ材からなる場合、モニタリング装置５ ５はプレプレグ材５６に関する代表的な高分子材料のサンプルが取り付けられて いる。この装置５５は見え る位置のカードボードコア５７に半永久的に取り付けられている。値が読み出さ れた時、回路に電源を供給しＬＣＤ５９に読み出された値を供給するスイッチ５ ８を押すことによって高分子材料が活性化されてもよい。このようにして、プレ プレグ材のロールが輸送貨物として荷造りされている場合、橋かけ重合の程度は 取り付けられた装置５５から即座に読み出すことができる。装置を半永久的若し くは一時的に取り付けるための様々な方法が想定されることが明らかである。こ れらの方法は、第３図に例示されているように製造時に材料内に埋め込まれたサ ンプルを有するセンサ、若しくはモニタリングされる高分子材料に直接挿入され たセンサを含むものであってもよい。 これらの特徴によって、更に本発明が高分子材料の化学的及び／または物理的 変化の存在をモニタリングするためのより一般的な方法の一部として用いられる ことも示唆されたが、この方法は、（１）低速度状態遷移ステージにある高分子 材料を特定する過程と、（２）高分子材料の一部として特定された高分子材料の 状態を間欠的若しくは連続的に読み出すことができるセンサを、特定された高分 子材料に接触するように取り付ける過程と、（３）センサが取り付けられた材料 の硬化を検出するための手段として、高分子材料の低速度状態遷移ステージの間 前記高分子材料にセンサを接触した状態に保つ過程とを有する。上記の過程は、 低速度状態遷移ステージにある一塊の高分子材料にも用いることができ、ここで 高分子材料のサンプルは一塊の高分子材料から分離され、センサは特定された高 分子材料のサンプルに接触して取り付けられる。この後者の場合、材料は、密閉 されたコンテナなどに収納されているので見ることはできないが、コンテナの外 側に取り付けられたサンプルはコンテナの内容物を代表するものである。従って 、特定されるサンプルは、高 分子材料の一塊と等しい温度及び等しい周辺環境にさらされるようにコンテナに 取り付けられていなければならない。上述された回路は、ハンドヘルド型のメー タであってもよく、このハンドヘルド型のメータはセンサに取り付けられた時、 測定されている高分子材料の変数に比例する電圧を出力するものである。 低速度状態遷移ステージにある樹脂及びその他の高分子材料の電荷運搬能力は 、上述された方法及び装置によって求められ、発明者は更に、非高分子材料を含 むその他の様々な用途に対する方法及び装置をも見いだした。高分子材料及び非 高分子材料の低速度状態遷移をモニタリングする広範囲に亘る用途を例示するた めに、以下の具体例について説明する。具体例１ 多くの塗料及び接着剤は貯蔵中または商店の陳列棚に陳列されている間に低速 度状態遷移ステージに入っているので、これらの塗料などが硬化してもはや使用 できないものとなるポイントに達しているか否かを明らかにすることが重要であ る。まず初めに、塗料または接着剤の代表的なサンプルの橋かけ重合を表す曲線 を求めるためにテストが実行される。この求められた曲線は次に低速度状態遷移 によって発生する橋かけ重合が個々の塗料もしくは接着剤の性質を劣化させ始め るポイントなどの、個々の塗料若しくは接着剤に関するその他のデータと整合さ れる。 塗料若しくは接着剤のテストを行うために、サンプルセンサと基準物とに電圧 が印加される。このサンプルセンサはコンテナから採取された小さいサンプルを 必要とするか、若しくはこのサンプルセンサは、第６図に示された実施例と類似 するコンテナと一体的に形成されている。基準物は、低い橋かけ重合と高い橋か け重合との間のインピーダンスの幾 何学的手段からなってもよい。代わりに、この基準は、塗料若しくは接着剤が廃 棄されなければならない橋かけ重合の程度であってもよい。何れの場合でも、デ ィスプレイ装置は、利用者が塗料若しくは接着剤の橋かけ重合の程度を決定する ために用いる数値を出力する。テストの結果は、塗料若しくは接着剤が更に貯蔵 できるかどうか及び最小の橋かけ重合を有するか否かを表わすために、塗料若し くは接着剤が直ぐに使用しなければならないか若しくは廃棄されなければならな いか、またはより高いレベルの橋かけ重合によっても問題なく利用できる目的に 使われるべきかを表す中程度の橋かけ重合であることを表示するために、若しく は接着剤または塗料が既に許容できる橋かけ重合の閾値を越えていて廃棄されな ければならないことを表示するために用いられてもよい。具体例２ 本発明の装置は具体例１で説明されたように塗料及び接着剤の橋かけ重合を求 めるために用いられるものであるが、塗料などの重合体内に混合された溶媒の量 を求めるためにも用いられる。現在用いられている多くの塗料では、重合体の鎖 が互いに癒着若しくは絡み合うことを防止するための溶媒が用いられている。溶 媒の減少によって、塗料の重合体が互いに物理的若しくは化学的に反応して変化 し、その後塗料を使用できないものとする。更に、溶媒が失われることによって 溶液の電荷運搬能力が大幅に変化する。ある場合には、溶媒は重合体の鎖よりも より優れた電気キャリアであり、溶液の電荷運搬能力が変化する。即ち、溶媒の 減少によって生じたインピーダンスの変化を表す曲線を求めることによって、利 用者は懸濁された溶媒を含む各々の塗料をテストして、その塗料が意図する目的 に適さないものとなるほどに溶媒が減少したか否かを知ることができる。具体例３ 塗料、接着剤及び樹脂などとは異なり、食品においては高インピーダンスが一 般的には望ましい。食品が腐敗し始める時、例えば、糖分がアルコールに代わり 始める時、その食品のインピーダンスは、食品の電荷運搬能力の変化に応じて低 下する。即ち、インピーダンスを腐敗の程度の測定値として用いることによって 、各々の食品に対する分解の各段階におけるインピーダンスを表す曲線が求めら れる。このインピーダンス曲線が求められると、同じ種類の食品に関して上述さ れた装置によって繰り返し測定が行われ、低インピーダンス及び高インピーダン スの幾何学的手段に基づく基準物との比較が行われ、若しくはその食品がもはや 飲食に適しないものとなるポイントに基づく基準との比較が行われる。その結果 得られた表示は、腐敗の程度を表し、更にその食品が依然として飲食用に適する ものであるか否かを表示する。即ち、重合体材料の橋かけ重合の程度を求めるた めに用いられた装置が、腐敗の程度をテストするためにも用いられる。具体例４ 食品の腐敗の表示に加えて、食品のインピーダンスの変化はまた食品の乾燥状 態をも表す。水分は、その固体の食品よりもより良好な導体なので、上述された モニタリング装置はまた、食品の乾燥状態を求めるためにも用いることができる 。例えば、果物を乾燥する場合、所望の乾燥レベルがいつ達成されたかを知るこ とが難しいことがある。しかし、インピーダンスの大きさを測定することによっ て、乾燥状態の程度は、食品の電荷運搬能力の減少によって表示することができ る。即ち、個々の食品の新鮮な状態から乾燥した状態までのインピーダンスを求 めるために、まず初めに曲線が求められる。曲線が求められた後に、曲線上の数 個の点が基準として選択される。乾燥した食品をサンプリングする時、測定値と 基準値が関連付けられ乾燥の程度が求められる。所望の乾燥の程度に達すると、 即ち、インピーダンスが増加すると、食品の乾燥が停止される。勿論、異なる食 品に対しては異なる数値が用いられる。具体例５ 変圧器には絶縁油が利用されていることは電気関係の当業者にはよく知られて いる。そのような絶縁油の主な問題点は、それらの絶縁油が絶縁破壊を起こした 場合、甚大な被害が変圧器にもたらされるということである。初めに、絶縁油は 高いインピーダンスを有し、従って絶縁油に電流が流れることが防止されている 。しかし、絶縁油の使用期間に亘って、このインピーダンスの値が低下する。最 終的に、電流が絶縁油を流れるようになるまでインピーダンスの値が減少し、変 圧器に損傷が与えられることになる。 このような絶縁破壊を防止するために、絶縁油の使用期間に亘って絶縁油のイ ンピーダンスの変化を求めるために、変圧器から絶縁油のサンプルが繰り返し抽 出されることによって曲線が求められる。この曲線の求められた後に、変圧器の 定期的な検査が行われ、インピーダンスの値が測定され、絶縁油の耐用年数が求 められる。インピーダンスの値が予め決められた閾値以下となると、絶縁油が交 換される。このような定期的な解析は、少なからぬ費用を節約し、変圧器の損傷 を防止し、更に絶縁破壊を起こした変圧器による電力源の障害を最小にする。 本明細書中では、重合体材料であるか否かに関わらず一般的に非導電性の材料 の電荷運搬能力を測定するための装置及び方法が説明された。当業者には、本発 明中の説明が単に好適な実施例を表したものであり、本発明の用途の例を表した ものであり、添付の請求の範囲によって定義 される本発明を限定することを意図したものでないことは明らかである。本発明 の装置及び方法の様々な応用及び変形が、当業者によって容易になされ、かつ添 付の請求の範囲はこれらの応用及び変更を包含することを意図するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｋ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高インピーダンス材料の貯蔵寿命若しくは低速度状態遷移の間の化学的／物 理的な変化の程度の検出・モニタリング方法であって、 （１ａ）インピーダンスの値と、前記材料の化学的／物理的な変化の程度を表 す対応するサンプル電圧とを求めるべく、前記材料の貯蔵寿命の間にセンサを介 して前記材料にテスト信号を印加する過程と、 （１ｂ）基準電圧を求めるべく、一定の抵抗値を有する基準抵抗器に前記セン サを介して前記テスト信号と同一の信号を印加する過程と、 （１ｃ）前記材料の前記貯蔵寿命の間に前記材料に印加された前記テスト信号 と、前記基準電圧として前記基準抵抗器に印加された前記テスト信号との電位差 を求める過程と、 （１ｄ）前記化学的／物理的な変化に対する比較可能な起こりうるインピーダ ンスの範囲での前記電位差の大きさの比較に基づいて、前記材料内で生じた化学 的／物理的な変化の程度の相対的な指標として、前記電位差を関連付ける過程と を有することを特徴とする検出・モニタリング方法。 ２．（２ａ）前記過程（１ａ）の前記材料からの前記テスト信号の出力を過程（ １ｂ）の前記基準抵抗器の入力に接続する過程と、 （２ｂ）前記材料に印加された前記信号と、前記基準電圧として前記基準物質 に印加された前記信号との電位差を求めるべく、電圧デバイダを構成するように 接続された点の電位を測定する過程と、 （２ｃ）前記材料の化学的／物理的な変化に対する前記材料の比較可能な起こ りうるインピーダンスの範囲での前記電位差の大きさの比較に基づいて、前記材 料内で生じた前記化学的／物理的な変化の程度を表す相対的な指標として、前記 電位差を関連付ける過程とを有することを特 徴とする請求項１に記載の方法。 ３．（３ａ）前記過程（１ａ）の前記材料からの前記テスト信号の前記出力を、 差動増幅器の第１入力に接続する過程と、 （３ｂ）前記過程（１ｂ）の前記基準抵抗器からの前記テスト信号の前記出力 を、前記差動増幅器の第２入力に接続する過程と、 （３ｃ）前記材料に印加された前記テスト信号と、前記基準電圧として前記基 準抵抗器に印加された前記テスト信号との電位差を求める過程と、 （４ｄ）前記材料の化学的／物理的な変化に対する比較可能な起こりうるイン ピーダンスの範囲での前記電位差の大きさの比較に基づいて、前記材料内で生じ た化学的／物理的な変化の程度の相対的な指標として、前記電位差を関連付ける 過程とを有すことを特徴とする請求項１に記載の方法。 ４．前記電位差を直流電流に変換し、前記直流電流を前記材料の物理的／化学的 な変化の程度に関連付けられた値の直接的な読み出し値として表示するディスプ レイ装置に入力することによって、前記電位差が処理されることを特徴とする請 求項１に記載の方法。 ５．前記直接的な読み出し値が、低インピーダンスにおける約０．５ボルトから 、少なくとも約１×１０⁴の振幅を表す高インピーダンスでの０ボルトまでの範 囲の直流電圧からなることを特徴とする請求項４に記載の方法。 ６．前記テスト信号が、２０ボルトピークツーピーク未満の小振幅、１０Ｈｚ未 満の低周波数の信号を発生させ、前記信号を、貯蔵寿命の間の前記材料と、前記 基準抵抗器とに印加することによって供給されることを特徴とする請求項１に記 載の方法。 ７．塗料、歯科用高分子材料、食品、及び誘電流体からなる集合から選択された 材料の化学的／物理的変化な変化の程度を測定する過程を有し、 前記材料に、電位差をセンサを介して印加し、前記電位差を処理する過程を有 することを特徴とする請求項１に記載の方法。 ８．高抵抗の樹脂へ用いる場合に、静電界に対して前記センサを遮蔽する過程を 更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。 ９．貯蔵寿命の間の材料の化学的／物理的な変化の程度の試験装置であって、 低周波数小振幅信号を発生させる信号ジェネレータと、 前記信号ジェネレータに接続され、試験される前記材料の外皮を受容する既知 の値のインピーダンスを有するセンサと、 化学的／物理的な変化の間に予め決められたポイントにおいて前記材料の予め 決められたインピーダンスと概ね等しい抵抗値を有する基準抵抗器と、 前記センサを介して前記材料から検出された信号と、前記センサを介して前記 基準抵抗器から検出された信号との電位差を求める電圧手段と、 前記電位差を、前記材料の貯蔵寿命の間に前記材料で生じた化学的／物理的な 変化の程度を表すファクタに変換する、前記電圧手段に接続された変換手段とを 有することを特徴とする試験装置。 １０．前記信号ジェネレータが、１０ボルト未満のピークツーピーク電圧値を有 する正弦波信号発生器からなることを特徴とする請求項９に記載の装置。 １１．前記センサと前記基準材料とが、前記材料と前記基準材料との全体のイン ピーダンスに対する前記基準材料のインピーダンスの比に比例する出力電圧を出 力する電圧デバイダを有することを特徴とする請求項 ９に記載の装置。 １２．前記電圧デバイダの出力電圧のローディングを防止するべく、負荷インピ ーダンスを１０¹⁵オーム以上に増加させる手段を提供する、前記電圧手段に接続 されたバッファ回路を更に有することを特徴する請求項１１に記載の装置。 １３．前記バッファ回路に接続され、ノイズ感度を低減させるべく前記装置の入 力帯域幅を制限する手段を含むフィルタ段を更に有することを特徴とする請求項 １２に記載の装置。 １４．リアルタイムモードで化学的／物理的な変化の程度を表す視覚的な出力を 出力する、前記変換手段に接続されたディスプレイ手段を更に有することを特徴 とする請求項９に記載の装置。 １５．前記装置が、試験される前記材料の挿入を可能とするために十分な寸法の 開口部を有し、かつ、リアルタイムモードで化学的／物理的な変化の程度を表す 指標として前記材料の容器に取り付けられたハウジング内に収納されていること を特徴とする請求項１４に記載の装置。 １６．前記ハウジング及び前記装置が、その使用が終了した時に廃棄できるよう な使い捨ての物品として形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の装 置。 １７．前記センサが使い捨ての物品として形成されており、かつ前記装置から取 り外し可能な取り付け部を有し、前記装置が前記使い捨てのセンサ以外は繰り返 し使用されることを特徴とする請求項１４に記載の装置。 １８．前記センサの周りに取り付けられ、高インピーダンス樹脂に使用する場合 、静電界に対して電気センサを遮蔽するシールド手段を更に有することを特徴と する請求項９に記載の装置。