(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質塊の組織状態を要因として決まる当該物質の電気的特性を計測する装置において、
所定の発振信号の印加された帯状の補助電極と、
この補助電極に対向配置され前記補助電極との間のインピーダンスに応じて得られた受信信号を出力する帯状の主電極と、
前記物質塊が前記補助電極と主電極に載置されたとき得られた前記受信信号に基づく前記電気的特性計測信号を出力する出力部と、
を具備し、
前記補助電極および主電極はシールド基板に絶縁層を介して平面的に配置されるとともに、前記主電極およびシールド基板は前記出力部によって交流的に０電位と同一電位状態にされてなることを特徴とする静電容量形物質計測装置。
【請求項２】
前記補助電極および主電極は、前記シールド基板に接続されたシールドケースにより前記物質塊の配置空間を確保した状態で覆われてなる請求項１記載の静電容量形物質計測装置。
【請求項３】
物質塊の組織状態を要因として決まる当該物質の電気的特性を計測する方法において、
所定の発振信号を印加した帯状の補助電極と、この補助電極との間に形成されるインピーダンスに応じた信号を受信する帯状の主電極とをシールド基板に絶縁層を介して平面的に配置するとともに、前記主電極およびシールド基板を交流的に０電位と同一電位状態にし、前記補助電極と主電極に前記物質塊を載置し、前記主電極から得られた受信信号に基づき当該物質の電気的特性を計測することを特徴とする静電容量形物質計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は物質塊の組織状態に起因する当該物質の電気的特性を計測する静電容量形物質計測装置および物質計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物質には、この組織状態によってその電気的特性が決定されるものがある。例えば日用品雑貨分野における発泡性の合成樹脂製軽石である。
この種の軽石では、製造過程で多孔質気泡が形成されるが、この気泡状態によって角質化した肌を削り落とす時の肌触りが異るから、一定の気泡状態が得られるよう制御しながら製造する必要がある。
【０００３】
従来、この種の多孔質物質の気泡状態を検査するには、製造ライン上からサンプルを採取し、試験者による感覚や目視による観察といった人の感覚によって行うのが一般的であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した多孔質物質等を検査する場合、試験者による感覚や目視観察では、評価する試験者の健康状態、性別、年齢、その他様々な要素によって基準値が分れたりバラツキが生じ易く、定量的かつ正確に行うことが困難であった。
【０００５】
本発明者は、そのような物質に形成される組織状態、例えばその気泡状態や外形形状と電気的特性（インピーダンス値）について鋭意観察・研究した結果、物質の組織状態によって電気的特性が変化するとともにある電気的特性で示すことができる点に着目し、本発明を完成させた。
【０００６】
本発明はそのような状況の下になされたもので、物質に形成される組織状態や外形形状によってその電気的特性が決定される物質について、試験者の感覚や目視観察によることなく、その電気的特性を物質の外部から電気的かつ定量的に計測可能な静電容量形物質計測装置および物質計測方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのような課題を解決する為に本願に係る第１の発明は、所定の発振信号の印加された帯状の補助電極と、この補助電極に対向配置されその補助電極との間のインピーダンスに応じて得られた受信信号を出力する帯状の主電極と、その物質塊がそれら補助電極と主電極に載置されたとき得られた受信信号に基づく電気的特性計測信号を出力する出力部とを具備する静電容量形物質計測装置である。
【０００８】
しかも、上記補助電極および主電極をシールド基板に絶縁層を介して平面的に配置するとともに、それら主電極およびシールド基板を上記出力部によって交流的に０電位と同一電位状態にしている。
【０００９】
さらに、この第１の発明においては、それら補助電極および主電極を、そのシールド基板に接続されたシールドケースによりその物質塊の配置空間を確保した状態で覆うことが好ましい。
【００１０】
また、この第１の発明において、上記補助電極および主電極を、その物質塊に対して移動可能に配置する構成も可能である。
【００１１】
他方、本発明に係る第２の発明は、所定の発振信号を印加した帯状の補助電極と、この補助電極との間に形成されるインピーダンスに応じた信号を受信する帯状の主電極とをシールド基板に絶縁層を介して平面的に配置するとともに、それら主電極およびシールド基板を交流的に０電位と同一電位状態にし、それら補助電極と主電極に物質塊を載置し、その主電極から得られた受信信号に基づき当該物質の電気的特性を計測する静電容量形物質計測方法である。
【００１２】
そして、この第２の発明において、上記物質塊に対してそれら補助電極および主電極を移動して得られた受信信号から、その電気的特性を計測する方法も可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、静電容量形物質計測装置方法については静電容量形物質計測装置を説明する過程で説明する。
図１および図２は本発明に係る静電容量形物質計測装置を示す図および概略要部斜視図である。
【００１４】
図１および図２において、導電性基板１は、従来公知の導電板から偏平で細長い横断面コ字形の台形状に形成されており、この天板１ａ上面のほぼ全体に絶縁層３が形成されている。
導電性基板１の絶縁層３上には、帯状の細長い補助電極５および主電極７が一定の間隔を隔てて並行に形成され、導電性基板１の長手方向に沿って延びている。
【００１５】
これら補助電極５および主電極７は、従来公知の手法によって形成されており、互いに平面的にその厚みで対向するとともに絶縁層３を介して導電性基板１と対面している。
導電性基板１には、補助電極５および主電極７上に被計測物としての多孔質の物質塊９の配置されるスペースを有して横断面コ字状の導電性シールドケース１１が被せられ、導電性基板１の例えば脚部１ｂと電気的に接続されている。
【００１６】
この物質塊９は、例えば多孔質物質を例にすれば、図３に示すように、整泡材等を混入させて加工された多孔質部９ａ中に気泡９ｂが形成されている。なお、多孔質部９ａ中にも微少気泡があるが便宜上図示しない。
補助電極５は、図１に示すように、レベルの安定した例えば４０ＫＨｚの交流信号Ｖｇを発振出力する信号源１３が接続されている。
【００１７】
主電極７は、シールドケーブル１５の芯線１５ａを介してＯＰ（オペ）アンプ１７の反転入力端子が接続され、シールドケーブル１５のシールド部１５ｂは導電性基板１およびＯＰアンプ１７の非反転入力端子に接続されている。
ＯＰアンプ１７の非反転入力端子は零電位（０電位：大地電位）に固定されており、その出力端子は帰還回路１９を介して反転入力端子に接続される一方、整流平滑部２１に接続されている。
【００１８】
そのため、ＯＰアンプ１７の出力端子には、反転入力端子に加えられた電圧の逆極性の電圧が出力され、帰還回路１９を適当に選定して非反転入力端子と反転入力端子が交流的に同一電位になっている。
従って、ＯＰアンプ１７は、帰還回路１９とともに主電極７を交流的に０電位と同一電位状態にする同電位形成部２３として機能するとともに、主電極７からの出力電流を電圧に変換する変換部としての機能を有する。
【００１９】
整流平滑部２１は、ＯＰアンプ１７からの出力信号を整流平滑するもので比較部２５に接続されている。
この比較部２５は、予め基準品としての物質塊９を補助電極５および主電極７間に配置したときＯＰアンプ１７や整流平滑部２１を介して得られた基準信号又はこれに相当する基準信号を保持しており、実際に計測する物質塊９に基づく整流平滑部２１からの信号と基準信号との差異を、電気的特性計測信号（出力信号）として出力するものである。
【００２０】
なお、比較部２５は、単に、整流平滑部２１からの信号をそのままレベル調整等して出力させるよう形式可能である。
すなわち、ＯＰアンプ１７、帰還回路１９、整流平滑部２１および比較部２５は、その物質塊９の組織状態を要因とした静電容量（インピーダンス）に基づく電気的特性計測信号を出力信号として出力する出力部２７を形成している。
【００２１】
次に、本発明の静電容量形物質計測装置において、多孔質物質塊９のインピーダンスからその電気的特性を計測できる理由を介してその動作を説明する。
多孔質物質塊９は、図４に示すように、抵抗分と静電容量分の並列回路を集合させた等価回路で表すことが可能であり、物質塊９中の気泡９ｂ付近についても、気泡９ｂを横切る静電容量Ｃと気泡９ｂに沿って多孔質部９ａに形成される抵抗分の回路分布として考えられる。
【００２２】
物質塊９全体としては、図５に示すように、抵抗Ｒ分と容量Ｃ分の並列回路が縦横に連続して接続されていると考えられ、全体で一つのインピーダンス（Ｚ）として考えることが可能である。
そして、気泡９ｂの数や大きさによって抵抗や静電容量分、特に静電容量分が変化するから、対向する電極間に物質塊９を配置すれば、それら気泡９ｂの数や大きさに応じてそれら電極間のインピーダンス変化を介して電気的特性が計測可能となる。
【００２３】
従って、図６に示すように、対面するように配置された補助電極２９と主電極３１間で１個の多孔質物質塊９を挟めば、物質塊９の気泡９ｂの状態に応じた信号が主電極で受信されるとともに受信信号を出力可能となる。
【００２４】
すなわち、物質塊９について、外観の体積が同じ物でも内部の気泡９ｂが大きければ、気泡９ｂとその周辺のインピーダンス分の割合が多いため、全体のインピーダンスは大きくなり、補助電極２９と主電極３１間に配置した物質塊９中の気泡９ｂの状態に応じてインピーダンスが変化し、信号源１３の接続された補助電極２９から主電極３１に到達する電気力線に基づく電流が減少し、ＯＰアンプ１７からの電圧出力値は低くなる。
【００２５】
そして、主電極３１にはシールドケーブル１５を介して図１中のＯＰアンプ１７、帰還回路１９、整流平滑部２１および比較部２５からなる出力部２７を接続すれば、物質塊９の電気的特性の計測が可能となる。
さらに、この考え方は、単体の物質塊９の計測に限らず、例えば多数の物質塊９の計測についても同様である。
【００２６】
すなわち、対面する補助電極２９と主電極３１間に複数の物質塊９を挟んだ場合、補助電極２９と主電極３１間方向における隣合う物質塊９間の空隙に応じた静電容量Ｃａが形成され、補助電極２９と主電極３１間のインピーダンスは個々の物質塊９が有する静電容量に静電容量Ｃａを加えた値となり、この合成値に応じた受信信号が主電極３１から得られる。
【００２７】
また、補助電極２９と主電極３１間方向に対して垂直又は斜め方向で隣合う物質塊９間にも静電容量Ｃｂが形成される場合もあり、補助電極２９と主電極３１間のインピーダンスは個々の物質塊９が有するそれに静電容量Ｃｂを加えた値となり、この合成値に応じた受信信号が主電極３１から得られる。
実際の評価においては、図７および図８を合成した状態の物質塊９についてその電気的特性を計測することになるであろう。
【００２８】
もっとも、隣合う物質塊９間の隙間は異なるし、その外形形状も多少の違いがあるが、例えば搬送路上の物質塊９は多いから、例えば一定距離（１ｍ〜数ｍ）や一定期間（３０秒〜数分）の平均値の計測が可能となる。
また、本発明においては、図６又は図９に示すように、補助電極２９と主電極３１を対面するように対向させた場合、補助電極２９や主電極３１の高さ方向の幅で重なる位置に物質塊９を配置すると、それら補助電極２９と主電極３１間にある物質塊９の高さがそのまま値として出力されるため、配置する物質塊９に高さ変動がある場合は誤差要因となる心配がある。
【００２９】
しかも、物質塊９が、補助電極２９や主電極３１より高く積み上げられている場合、電極間に存在する電気力線の距離が最短なものと比べて、その高く積み上げられた物質塊９によって結合されている距離はそれほど変わらず、静電容量的にその差が小さく、高さ変動が出力に影響する可能性がある。
従って、この配置構成で良好な計測結果を得るためには、何等かの方法で物質塊９の高さを検知計測し、その結果で出力値を補正する等の対策が必要となる場合がある。
【００３０】
その点、図１又は図１０に示すように、補助電極５および主電極７を平面的に対向させた構成では、それらの影響がある程度軽減され、より実際の計測に即したものとなって好ましい。
しかも、補助電極５および主電極７間に物質塊９を挟むように配置しないから、計測物の量も制約され難く、それらの間隔や電極自体の形状を小さくできるので、設計の自由度が向上する。
【００３１】
ところで、補助電極５および主電極７に人や物体が接近すると、その影響が計測結果に出る場合も予想される。
そこで、図１に示すように、物質塊９の配置スペースを確保した状態でシールドケース１１を導電性基板１に被せ、補助電極５、主電極７や発泡状物質塊９をシールドすることが好ましい。すなわち、導電性基板１とシールドケース１１によってそれらをシールドする訳である。
【００３２】
このように、補助電極５、主電極７や物質塊９をシールドすると、図１１に示すように、物質塊９にはインピーダンスＺｖａ、Ｚｖｂが形成されてこれに電流Ｉｖａ、Ｉｖｂが流れるとともに、インピーダンスＺｖｂの回路網とシールドケース１１間に静電容量Ｃｘが形成されてこれに電流Ｉｘが流れ、シールドによって外界からの影響が除去され、その分の誤差がなくなって良好な計測が可能となる。図１２は図１１を等価回路で示したものである。
【００３３】
もっとも、図１１においてシールド効果を確実にするためには、物質塊９のインピーダンスをＺｖとしコンデンサＣｘのインピーダンスをＺｘとした場合、Ｚｖ＜＜Ｚｘの範囲内に限られる。
その理由は、図１２に示す等価回路からも分かるように、物質塊９の体積量が増加すると、シールドケース１１間の距離が縮まる→Ｃｘの値が大きくなる→インピーダンスが下がる→電流が増加する、といった現象が生じてその影響が無視できなくなるためである。
【００３４】
また、本発明の静電容量形物質計測装置において、平面的に配置する補助電極５および主電極７は、上述したように直線的な帯状に限定されない。
例えば、図１３に示すように、導電性基板１上に図示しない絶縁層を介して櫛歯状の補助電極３３および主電極３５を所定の間隔で相互に入込ませる構成（同図Ａ）、所定の間隔をおいて方形の補助電極３７を枠形の主電極３９で囲む構成（同図Ｂ）、所定の間隔をおいて補助電極４１を複数の主電極４３で挟む構成（同図Ｃ）、スパイラル状の補助電極４５の間に所定の間隔をおいてスパイラル状の主電極４７を同心状に入込ませる構成（同図Ｄ）等が可能である。
【００３５】
そして、図１又は図１１に示す導電性基板１は、物質塊９の搬送路に対して固定的に配置すれば、搬送路上を移動する物質塊９の自動計測が簡単に可能となる。物質塊９を個別に採取して計測することも任意である。
導電性基板１等の配置は、物質塊９の下側に配置する以外、例えば空気より比重の軽い物質（例：ガスを充填した風船等）を計測する場合は、上側に配置することも可能である。
【００３６】
さらに、本発明の静電容量形物質計測装置において、上述したように補助電極５および主電極７を有する導電性基板１は、搬送される物質塊９に対して静止した位置に固定的に配置する構成の他、計測期間中に位置を静止させた物質塊９に対し、それら補助電極５および主電極７側を移動（走査）させれば、被計測物を搬送することなく自動計測が可能となる。
【００３７】
ところで、本願に係る静電容量形物質計測方法を示せば、発振信号を印加した補助電極５と、この補助電極５との間に形成されるインピーダンスに基づく信号を受信する主電極７とを用い、これら補助電極５と主電極７との間に物質塊９を配置し、その主電極７から得られた受信信号に基づく電気的特性計測信号を出力したり、又は予め基準品としての物質塊９によって得られた基準信号との差異を、電気的特性計測信号として出力するものである。
【００３８】
しかも、この静電容量形物質計測方法においても、搬送路の途中に補助電極５と主電極７を固定的に配置し、搬送する物質塊９の電気的特性を計測したり、逆に、補助電極５と主電極７側を物質塊９に対して移動（走査）させて得られた受信信号に基づき、その電気的特性を計測することが可能である。
【００３９】
さらに、上述した出力部２７の構成は一例であり、これ以外に種々の構成が可能である。
なお、本発明における被評価物としての多孔質物質としては、「軽石」の他に例えば「スポンジ」、「多孔質セラミックス」、「発泡プラスチック類」の他、日常生活で使用又は摂取する等の物質についても計測することが可能である。
【００４０】
また、発泡構造などの多孔質構造を有する製品に限らず、物質の計測要因として内部の気泡の状態によって、物質の電気的特性（インピーダンス）値が定められるものについて広く応用可能であるし、気泡の有無や物質の有無の計測にも応用可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の第１の構成に係る物質計測装置は、所定の発振信号の印加された帯状の補助電極と、この補助電極に対向配置されその補助電極との間のインピーダンスに応じて得られた受信信号を出力する帯状の主電極と、その補助電極と主電極に載置された物質塊に応じて得られた受信信号に基づく電気的特性計測信号を出力する出力部を具備し、それら補助電極および主電極をシールド基板に絶縁層を介して平面的に配置するとともに、それら主電極およびシールド基板を上記出力部によって交流的に０電位と同一電位状態にしてなるから、物質中に形成される組織状態によってその電気的特性が決定される物質について、試験者による感覚や目視によることなく、物質の電気的特性をその外部から電気的かつ定量的に計測可能となるうえ、物質塊の高さ方向の量に基づく計測誤差を小さく抑えることが可能となる。
また、この第１の発明において、上記補助電極および主電極を、そのシールド基板に接続されたシールドケースによりその物質塊の配置空間を確保した状態で覆う構成にすれば、外部からインピーダンスの影響を受け難くなり、外部環境に基づく計測誤差を小さく抑えることが可能となる。
そして、本願の第２の発明に係る物質計測方法は、所定の発振信号を印加した帯状の補助電極と、この補助電極との間に形成されるインピーダンスに応じた信号を受信する帯状の主電極とをシールド基板に絶縁層を介して平面的に配置するとともに、それら主電極とシールド基板を交流的に０電位と同一電位状態にし、それら補助電極と主電極に物質塊を載置し、その主電極から得られた受信信号に基づく電気的特性計測信号を出力するから、物質中に形成される組織状態によってその電気的特性が決定される物質について、試験者による感覚や目視によることなく、物質の外部から電気的に計測判定可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電容量形物質計測装置の実施の形態を示す図である
【図２】図１中の基台、補助電極、主電極およびシールドケースの概略を示す概略斜視図である。
【図３】本発明で計測する物質塊を示す断面図である。
【図４】図３の物質塊におけるの電気的構成を示す拡大等価回路図である。
【図５】図３の物質塊全体における電気的構成を示す等価回路図である。
【図６】本発明の物質計測装置および方法において物質塊を計測する考え方を説明する図である。
【図７】本発明の物質計測装置および方法において物質塊を計測する考え方を説明する図である。
【図８】本発明の物質計測装置および方法において物質塊を計測する考え方を説明する図である。
【図９】本発明の物質計測装置および方法において物質塊を計測する考え方を説明する図である。
【図１０】本発明の物質計測装置および方法において物質塊を計測する考え方を説明する図である。
【図１１】本発明の物質計測装置および方法において物質塊を計測する考え方を説明する図である。
【図１２】図１１の物質計測装置において評価する物質塊に形成される等価回路図である。
【図１３】本発明の物質計測装置に用いる補助電極および主電極について他の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  導電性基板（シールド基板）
１ａ  天板
１ｂ  脚部
３  絶縁層
５、２９、３３、３７、４１、４５  補助電極
７、３１、３５、３９、４３、４７  主電極
９  物質塊（被計測物）
９ａ  多孔質部
９ｂ  気泡
１１  シールドケース
１３  信号源
１５  シールドケーブル
１５ａ  芯線
１５ｂ  シールド部
１７  ＯＰ（オペ）アンプ
１９  帰還回路
２１  整流平滑部
２３  同電位形成部
２５  比較部
２７  出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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