JPS6140062B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は金属分類器に関するものであり、とく
に互いに異なる温度に保たれている一対の導電性
プローブが識別すべき金属試料に接触させられて
いる時に、それらのプローブの間に生ずる起電力
により金属試料を識別するための装置に関するも
のである。 何らかの理由で通常の識別マークが付けられて
いない各種の金属見本を、製造者と末端需要者の
双方が簡便に識別できるようにする機器が以前か
ら望まれていた。そのような分類目的のために用
いられている非破壊検査法は、温度特性、磁気特
性、電気特性、摩擦電気特性および熱電特性など
を含む金属試料の各種の物理的特性を利用してい
る。熱電試験の場合には、異なる温度に保たれて
いる異種金属対の２つ計の接合の間に起電力
（emf）が発生される現象であるゼーベツク効果
を利用する。 ゼーベツク効果を利用する金属識別器の一例が
米国特許第3667032号に開示されている。この金
属識別器は同じ導電材料で作られた一対のプロー
ブを用いるのが特徴である。一方のプローブＢは
電気加熱されて２つのプローブの間に温度差を生
じ、高温のプローブと低温のプローブとの間の
emfが測定される。同じ材料で作られているプロ
ーブの温度を正確に知る必要がなくなる。しか
し、未知金属を識別するためにemfを測定する場
合には、プローブ間の温度差をある確度で知るこ
とは依然として重要である。 本願出願人により長年にわたつて使用されてき
たこの技術の改良は、プローブ間に正確な温度差
を保つ必要をなくすものである。これは、プロー
ブと未知試料との間に発生されるemfの絶対値の
みを利用するばかりでなく、そのemf（これをEx
とする）とプローブの間の温度差を示す電気信号
との間の関係を利用することによつて達成され
る。この電気信号Esは、たとえば、プローブの
先端にとりつけらている１個かそれ以上の熱電対
から取り出すことができる。プローブ間の温度差
の変化は信号ExとEsとの変化となる。一般に、
温度差に対する信号ExとEsの依存度は同じでは
ないが、温度差の変化が小さな場合には信号Ex
とEsの変化の違いは無視できる。したがつて、
信号EsとExの比はプローブ間の温度差が小さく
変化してもほぼ一定である。実際には、ある特定
のプローブ・アセンブリが一連の既知金属または
合金に接触させられた時に得られる前記比を決定
するためにポテンシヨメータブリツジ回路が用い
られており、それにより、同じプローブ・アセン
ブリが未知試料に接触させられた時に決定される
EsとExの比により金属試料を識別できるように
するチヤートが作られた。 しかし、ゼーベツク効果を利用する測定は金属
分類のための有用な器具であり、本願出願人によ
つて実際に長年にわたつて用いられてきたが、希
望の可搬性を有する信頼度の高い金属分類器を作
ることはこれまでできなかつた。すなわち、可搬
型として多くの機器が文献に記載されているが、
それらの機器は実際には取り扱いが面倒で、商用
電源や大型の電源に接続する必要がある。従来の
熱電金属分類器では、高温側のプローブを囲んで
いる電熱器が低温側のプローブも加熱することを
避けるために２個のプローブを十分な距離をおい
て隔てる必要があるから、プローブヘツド自体が
大きくなる。このような金属分類器の使用に際し
て起る別の問題は、試験中にプローブと未知試料
とを電気的および熱的に良く接触させる必要があ
ることから起る。これらの接触を良くするために
はプローブを試料に押しつけ、ポテンシヨメータ
を平衡させる間、またはプローブヘツドに加えら
れている圧力により変動することがあるメータの
指示を読取る間、プローブを試料に押しつけてい
なければならない。 本発明の目的は、手で持てるほど小型で、外部
電源へ接続せずに使用できる分類器で実施でき、
分類すべき金属により示されるゼーベツク効果を
利用することにより金属の分類方法を改良するこ
とである。 本発明の別の目的は、プローブと試料との間の
良好な電気的および熱的接触を容易に行えるよう
にする改良した金属分類器を提供することであ
る。 本発明により、同一の金属組成を有する一対の
導電性プローブと、これらのプローブの間に温度
差を生じさせるための要素と、その温度差を示す
第１の電気信号を発生する検知器と、識別する金
属試料に前記プローブが接触させられた時にそれ
らのプローブの間の電位差を示す第２の電気信号
を検出して、それらの信号の比の指示を与える検
出器とを備え、前記温度差を生ずる前記要素は供
給された電力に応じて一対の向い合う面の間で熱
を送る熱電ヒートポンプと、前記第１の信号をほ
ぼ所定の動作レベルに保つように前記第１の信号
に応じて前記ヒートポンプへ電力を供給するため
の要素とを有し、前記ヒートポンプは前記各プロ
ーブが前記向い合う面のうちのそれぞれ１つの面
との熱接触を保つように前記プローブの間に設け
られることを特徴とする金属分類器が得られる。 この明細書で述べる「熱電ヒートポンプ」は、
異種金属の接合間に電位差を印加するとその接合
間に温度差が生ずるというペルチエ効果を利用す
る周知の装置である。そのような装置は、僅かに
約0.5cmの間隔をおいて隔てられている向い合う
平らな面の間に50℃程度の温度差を発生できる小
さな板状の形で市販されている装置である。この
装置はその一方の面に接触している第１の物体か
ら他の面に接触している第２の物体へ熱を送るポ
ンプとして機能し、その熱の伝導により、第１の
物体は冷却され、第２の物体は加熱される。本発
明の金属分類器にこのようなヒートポンプを使用
したことが、プローブを接近させること、したが
つて金属分類器の全体の大きさを小型にすること
に本発明が成功した要因である。すなわち、一方
または両方のプローブを抵抗加熱する従来の金属
分類器では、低温側のプローブは高温側のプロー
ブより低く加熱されるが、周囲温度に保たれる。
そのために、プローブ間に希望の温度差を維持で
きる性能はプローブ相互間の熱しやへい状態に応
じて予測される。これに対して、ヒートポンプを
用いると低温側のプローブを実際に冷却できるか
ら、プローブ間に希望の温度差を維持することは
熱電素子の熱ポンピング効率を基にして予測され
る。 本発明の一実施例では、熱伝導度の低い電気絶
縁材料で作られて、必要な電源を含めて金属分類
器全体を納めるハウジングが設けられる。この実
施例では、各プローブは細長い形をしており、そ
の先端部だけがハウジングから突き出るようにハ
ウジングの中に納められる。ハウジングから突き
出ているプローブの先端部近くの温度を検出する
熱電対がプローブにあけられている穴の中に設け
られる。プローブはハウジングから突き出る長さ
を変えることができるように、互いに短い距離だ
け滑動できようにして、互いに平行にハウジング
の中に納められる。プローブ・アセンブリは互い
に垂直な２つの方向にばねで力が加えられる。第
１に、１組のばねが各プローブをその最大突き出
し位置へ向つて押し、第２のばねがプローブをそ
の長手方向に交わる方向で、互いに他方へプロー
ブへ向つて押し、各プローブと、それらのプロー
ブの間に設けられているヒートポンプのそれぞれ
の面との間の熱接触を良くする。 温度検知信号と、プローブが未知の試料に接触
した時に発生される信号との比は、標準のポテン
シヨメータ回路を用いてそれらの信号を互いに平
衡させることにより決定される。あるいは、本発
明の別の特徴に従つて、第１と第２の信号は増幅
されてから分圧器へ与えられる。この分圧器は第
１と第２の信号の比に比例する第３の信号を発生
する。この第３の突信は電圧計へ与えられる。こ
の電圧計の指示は未知試料の識別に使用できる。 本発明の金属分類器の更に別の特徴は、未知試
料にプローブを接触させながら電圧計の指示を読
取る必要をなくし、僅かにふらつくことがある電
圧計の指針の読取りの困難をなくすように、金属
識別信号の表示に用いられる電圧計の動作を制御
するための要素が設けられることである。この制
御要素は、プローブ・アセンブリが試料に接触さ
せられた時に２つのプローブの所定の変位を検知
し、表示電圧計へ２つの制御信号を順次出力する
タイミング装置を作動させる位置検知スイツチを
含む。第１の制御信号は分圧回路から与えられた
電圧を電圧計に表示させ、第２の制御信号は、そ
れらの制御信号が与えられなくなるまで電圧計の
指示が一定に保たれるように、電圧計が分圧回路
の出力の変動に感じないようにする。タイミング
装置は、位置検知スイツチにより作動させられて
いる限り、および位置検知スイツチによる作動が
終つて所定時間が経過するまでは、第１と第２の
制御信号の発生を続ける。プローブの先端に加え
られている圧力がなくなり、それから直ちに再び
圧力が加えられると、タイミング装置が再び作動
させられて、既に発生されていた制御信号のに発
生を断ち、有限時間遅れてから新しい制御信号が
発生される。その結果、新たな値が表示される。 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。 第１，２図はプローブ・アセンブリの互いに垂
直な断面図で、熱伝導度の低いプラスチツクのよ
うな電気絶縁材料製のハウジング１０を有する。
このハウジングの中には一対のプローブ１１，１
２が納められる。各プローブは互いに独立して長
手方向へ滑動できる。各プローブの長手方向の大
部分の横断面図は長方形または正方形で、残りの
部分の横断面は円形である。この円筒形横断面部
分は、ハウジングから突き出て試験中は未知試料
に接触する点状先端部で終端する。製作の便宜
上、プローブは一体の構造とする必要はなく、摩
耗した場合に交換できる着脱式の先端部を設ける
ことができる。 各プローブ１１，１２にはばね１３が設けられ
る。このばねはプローブの点状先端部から離れた
端部に作用して、プローブをハウジングから最大
突き出し位置まで押す。各プローブには穴が設け
られ、この穴の中には先端部附近のプローブ温度
を測定する熱電対１４が入れられる。２本のプロ
ーブに用いられる熱電対は同一のものとすること
もできるが、これは絶対に必要なものではなく、
ポテンシヨメータ型ブリツジを用いる場合には互
いに異なる熱電対を用いる方がよい。 プローブ１１，１２の間に熱電ヒートポンプ１
５がはさまれ、一対の金属ブロツク１６，１７が
それぞれのプローブとヒートポンプ１５のそれぞ
れの面との間にサンドイツチ状にはさまれる。ブ
ロツク１６はプローブ１１と一体となつて滑動す
るようにプローブ１１の面に固定される。ヒート
ポンプ１５はブロツク１７の面に固定され、ブロ
ツク１７はプローブ１２の他の面に固定される、
このためにヒートポンプ１５とブロツク１７およ
びプローブ１２の組合わせは単一のユニツトとし
て、ハウジング１０と、ブロツク１６とプローブ
１１の組合わせとに対して滑動できる。プローブ
が所定距離だけ引き込まれた時に作動させられる
ようにして、、スイツチ１８がプローブの後方に
設けられる。第２のばね１９（第２図）がプロー
ブを互いに相手方へ向つて押して、プローブが滑
動している間にブロツク１６，１７をそれぞれ介
して行なわれるヒートポンプ１５とプローブ１
１，１２との間の熱伝導を良好に保つ。 この分類器を使用する場合には、電力がヒート
ポンプへ供給されてプローブ１１と１２の間に温
度差を生じさせる。ヒートポンプへの電力入力を
制御するために熱電対１４から得られる信号を用
いることにより、プローブ間に所定の温度差を生
じさせることができる。プローブ間に所定の温度
差が生ずると、ばね１３の力に抗してプローブを
ハウジングの中に押し込めるのに十分な圧力でプ
ローブの先端を未知試料の表面に押しつけること
により、その試料の試験が行われる。スイツチ１
８がオンにされることは十分な圧力がプローブ先
端部と未知試料との間にかけられて、確実な測定
を行うための希望の電気的および熱的接触が行わ
れていることを示す。スイツチ１８がオンにされ
ると、プローブ間に生じたemfと熱電対１４によ
り発生された電圧との比を決定するために用いら
れる比較回路が動作させられる。 第３図は未知試料を識別するために使用する電
圧比をポテンシヨメータ式に決定するために使用
できる回路を示す。第１図のプローブ内に挿入さ
れた熱電対は第３図には熱電対，で示されて
いる。各熱電対の出力は直津に接続されている一
対村のポテンシヨメータ３１，３２の各端子間に
それぞれ与えられている。これらのポテンシヨメ
ータをここでトリムポツトと呼ぶことにする。各
トリムポツトは電圧をポテンシヨメータ３３の固
定端子へ与える。プローブ１１，１２に接触して
いる未知試料から発生された２つのemfはポテン
シヨメータ３３に印加されている電圧と次のよう
にして平衡させられる。一方のプローブは線３５
によりトリムポツト３１，３２の共通接続点へ接
続される。他のプローブは線３６と、増幅器３７
と、検流計３８と、線３４を介してポテンシヨメ
ータ３３の可動端子へ接続される。このような回
路により、試験される試料の組成を示す信号を発
生するポテンシヨメータ３３の可動端子の位置に
対応する検流計の指針の正確な零点指示を決定で
きる。この回路を用いる場合には互いに異なる熱
電対、たとえば極性の異なる信号を発生する熱電
対を用いると有利である。熱電対を適切に選択
し、トリムポツト３１と３２を適切にセツトする
ことにより、ポテンシヨメータ３３の固定端子間
に印加する電圧差が、ポテンシヨメータのレンジ
を試験する材料のレンジに合せるように選択され
る。トムポツト３１と３２をセツトしてから、検
流計３８の指針の振れを零とするようにポテンシ
ヨメータ３３の調節を行い、識別チヤートを作る
ことができるように各既知試料に対するポテンシ
ヨメータ３３のセツトを注意することにより、各
種の既知試料を用いてこの分類器を較正できる。 以上説明したポテンシヨメータ平衡法により信
頼度の高い分類技術が得られるが、本発明のより
好適な実施例は、試験片に接触させている間に機
械的操作を行う必要をなくした回路を用いる。こ
の実施例を第４図に示す。第４図で１本の線は回
路の機能部品の間の結線ではななくて信号路を示
すものである。 温度検知熱電対で発生し組合わされたemfを表
す第１および第２の信号が信号路４１を介して増
幅器４２へ与えられる。この増幅器は実際には初
段を共用する２つの増幅器であるから、増幅度の
異なる２つの出力を生ずることになる。この２つ
の出力のうち第１の熱電対信号は信号路４３を介
して温度制御器４４へ与えられる。温度制御器４
４はトランジスタ・ゲートであつて通常は開かれ
ており、電源４５からの電力を経路４６，４７を
介してプローブ１１，１２の間の熱電ヒートポン
プ１５へ供給できるようにする。温度制御器４４
は、信号路４３を介して受けた信号が所定のしき
い値動作レベルをこえた時に、ヒートポンプ１５
への電力供給を断つ。このようにして、プローブ
１１，１２間の温度差はほぼ一定に保たれる。 増幅器４２のもう１つの出力である第２の熱電
対信号Vsは信号路４８を介して分圧器５２へ与
えられる。この信号Vsはプローブ１１，１２間
の温度差に応じた電位値を有する。プローブ１
１，１２の端子間に現われたemfは信号路４９を
介して増幅器５０へ与えられて信号Vxとなり、
この信号Vxは信号路５１を介して分圧器５２へ
与えられる。この分圧器５２は負帰還がかけられ
た演算増幅器で構成されてなる掛算器である。こ
の分圧器５２は比Vx／Vsに比例する信号Vrを発
生する。この信号Vrは信号路５３を介して表示
計５４へ与えられる。この表示計はなるべくデジ
タル電圧計とする。 このデジタル電圧計５４の動作はタイミング回
路５６によつて制御される。このタイミング回路
５６は、プローブの先端部がハウジングの中に挿
し込まれた時にオンされる圧力検知スイツチ１８
（第１図）と線５５を介して電力を与えられる。
タイミング回路５６は２つの表示器制御信号を発
生する。これらの信号は信号路５７，５８を介し
て表示器５４に与えられる。これらの制御信号は
表示可能化信号および表示保持信号とそれぞれ名
づけられる。表示可能化信号はデジタル弾圧計に
電圧Vrを表示できるようにさせ、表示保持信号
はVrが表示後に変化しても表示値が影響されな
いように、表示器が現在表示している表示値を保
持する。これらの信号のタイミング順序は次の通
りである。 表示可能化信号はタイミング回路が電力を供給
されてから非常に短い時間の後に発生され、それ
から少し遅れて表示保持信号が発生され、圧力検
知スイツチ１８を介してタイミング回路５６に電
力が供給されている限りはこれら２つの制御信号
は発生され続け、かつ電力供給が断たれてから所
定時間内に再び電力が供給されなければ、その所
定時間だけそれらの信号の発生を続ける。前記遅
れ時間（これは２〜３分程度に選択できる）によ
り、試験片との接触が行なわれ、かつ接触が断た
れた後で表示を読取ることができる。 第１，２図に示すプローブ・アセンブリと第４
図に示す回路を用いる金属分類器を実際に製作し
て試験してみた。この分類器ではプローブと、こ
れらのプローブをヒートポンプに連結する電熱ブ
ロツクとは銅で作られる。ヒートポンプは米国マ
サチユーセツツ州ケンブリツジ所在のサーミオニ
ツク、コーポレーシヨン製のTS801−1038−01型
「カムビオン サーミオニツク装置」であり、ポ
ンピング容量が９ワツトのセラミツク・モジユー
ルである。回路の残りの部品は全て市販のもので
あり、たとえば温度制御器はダーリントン・トラ
ンジスタ出力段を含み、表示計は３1/2桁の液晶
表示器であつた。ユニツト用の電力は低電圧蓄電
池から供給していた。この蓄電池は温度制御器を
介してヒートポンプに電力を供給し、かつ、この
回路の他の全ての部品に電力を供給しするために
設けられている電源回路へも電力を供給するよう
に構成されていた。 このようにして作られた本発明の金属分類器
は、片手で持てるようにピストル形のハウジング
の中に収められた小型軽量のユニツトであつた。 次にこの金属分類器の各種金属試験片について
の試験結果を下表に示す。

【表】 上表中、INCONEL，MONELおよびINCOLY
は商品名である。

【図面の簡単な説明】

第１、２図は本発明の一実施例におけるプロー
ブ・アセンブリの相互に垂直な断面図、第３図は
未知試料により発生される起電力と本発明の金属
分類器の検知熱電対から得られる電圧を比較する
ために使用できる回路の回路図、第４図は第１，
２図に示す本発明の金属分類器の一実施例に用い
られる電気回路のブロツク図である。 １０……ハウジング、１１，１２……プロー
ブ、１３……ばね、１４……熱電対、１５……ヒ
ートポンプ、１８……スイツチ、３１，３２，３
３……ポテンシヨメータ、４２，５０……増幅
器、４４……温度制御器、４５……電極、５２…
…分圧器、５４……表示器、５６……タイマ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同一の金属組織からなる金属試験片に接触す
   る一対の導電プローブと、 これらプローブと熱的に接触する熱電ヒートポ
   ンプを有し前記プローブの各々を異なる温度に維
   持する装置と、 前記プローブの各々の間の温度差に応じた第１
   の電気信号を形成する検知装置と、 前記２つのプローブが前記金属試験片と接触す
   るとき前記金属試験片内に生じる電位を検知し第
   ２の電気信号として出力する検出装置と、 前記第１および第２の電気信号の比に応じた第
   ３の電気信号を形成する装置と、 この第３の電気信号が与えられてその値を指示
   する装置と、前記ヒートポンプを予め定められた
   動作レベルに維持するように前記第１の信号に応
   動する装置とをそなえた熱電的な金属分類器。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の金属分類器に
   おいて、この金属分類器は熱伝導率が小さい電気
   絶縁性の材料で作られたハウジングの中に納めら
   れ、前記プローブは細長いボデーを備え、各プロ
   ーブの長手方向端部に隣接する小さな部分だけが
   前記ハウジングから突き出るように、前記ボデー
   は前記ハウジングの内部に長手軸が互いに平行と
   なつて配置され、前記プローブは互いに独立して
   長手方向に短い距離だけ滑動でき、各プローブを
   前記ハウジングから最大限に突き出た位置へ向つ
   て押すために弾力のある要素が設けられることを
   特徴とする金属分類器。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の金属分類器に
   おいて、前記熱電ヒートポンプは前記プローブの
   一方に対して固定され、かつ他方のプローブと前
   記ハウジングとに対して前記一方のプローブとと
   もに滑動できるように装着され、前記プローブを
   それぞれの長手軸に対して垂直な方向に弾力的に
   押すための横方向押圧要素を含み、このように押
   すことにより前記プローブが動いている間に前記
   ヒートポンプとの前記プローブとの間の熱的接触
   状態を保つことを特徴とする金属分類器。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載の金属分類器に
   おいて、各プローブには前記長手方向端部の近く
   で終端する長手方向の穴が設けられ、前記検知器
   は、各プローブの前記穴の中に納められて各プロ
   ーブの前記長手方向端部に熱的に接触する熱電対
   含むことを特徴とする金属分類器。 ５ 特許請求の範囲第４項に記載の金属分類器に
   おいて、前記検出器は前記第１の信号と前記第２
   の信号を比較するためのポテンシヨメータ形ブリ
   ツジ回路を含むことを特徴とする金属分類器。 ６ 特許請求の範囲第４項に記載の金属分類器に
   おいて、前記検出器は前記第１と第２の信号をそ
   れぞれ増幅する第１と第２の増幅器と、増幅され
   た第１と第２の信号に応じてそれらの増幅された
   信号の比を示す第３の電気信号を発生する割算回
   路と、その第３の電気信号を指示するメータとを
   備えることを特徴とする金属分類器。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載の金属分類器に
   おいて、前記メータは前記第３の信号をデジタル
   表示することを特徴とする金属分類器。 ８ 特許請求の範囲第７項に記載の金属分類器に
   おいて、スイツチング機構とタイマを含み、この
   スイツチング機構は前記２つのプローブがそれぞ
   れ最大突き出し位置から所定の変位をした時に前
   記タイマを作動させ、前記タイマは前記メータに
   接続され、作動させられた時に、前記メータに前
   記第３の信号を表示させる表示可能化信号と、前
   記第３の信号が変つても表示されている指示が変
   ることを阻止する保持信号と遂次発生することを
   特徴とする金属分類器。 ９ 特許請求の範囲第８項に記載の金属分類器に
   おいて、前記表示可能化信号と前記保持信号は前
   記タイマが作動させられている間と、前記タイマ
   が動作を停止させられてから所定時間内に再び作
   動させられない場合において、その所定時間中に
   わたつて維持されることを特徴とする金属分類
   器。