(57)【要約】【課題】新規な原理に基づき、血管などの各種の対象物を高感度かつ高精度で検出することができる検出装置および検出方法を提供する。【解決手段】少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、上記の直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子とにより検出装置を構成する。ｍ個の電荷は４重極、平面６重極、平面８重極、立体８重極などである。４重極を構成する場合には正方形の頂点に４個の電極１１〜１４を配置する。これらの電極１１〜１４の中心に検出電極２０を配置する。この検出装置を用いて静脈センシング装置などを構成する。【選択図】図１２
2008212525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、
上記直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子と
を有することを特徴とする検出装置。
【請求項２】
上記ｍ個の電荷のうちの互いに隣り合う電荷の符号が互いに異なることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項３】
上記ｍ個の電荷の絶対値が互いに等しいことを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項４】
上記電界検出素子およびその配線が上記直線上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項５】
上記ｍ個の電荷は多重極を構成することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項６】
上記ｍ個の電荷は平面２ｎ重極（ｎは２以上の整数）を構成することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項７】
上記ｍ個の電荷は正多面体または準正多面体の頂点に発生することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項８】
上記ｍ個の電極のうちの少なくとも１つの電極の位置の変化を検出することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項９】
上記ｍ個の電極のうちの少なくとも１つの電極に発生する電荷の電荷量の変化を検出することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項１０】
上記ｍ個の電極の外部の電荷または物体を検出することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項１１】
上記ｍ個の電極に交流電圧を印加することにより上記ｍ個の電荷を発生させることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項１２】
上記ｍ個の電極に正弦波の交流電圧を印加することにより上記ｍ個の電荷を発生させる場合において、上記正弦波の波長をλ、上記ｍ個の電荷を構成する双極子の長さをｄとしたとき、ｄ＜＜λ／２πであることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項１３】
上記ｍ個の電荷は静電荷であることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項１４】
上記ｍ個の電極は点電極または平面電極であることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項１５】
上記ｍ個の電極を１基本ユニットとして一次元アレイ状または二次元アレイ状に複数配置したことを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項１６】
検出対象または検出対象の状態変化を検出する検出装置であって、
上記検出対象に電界を印加する複数の電界印加手段と、
上記検出対象に近接する検出領域の電界を検出する電界検出手段と、
上記電界検出手段による上記検出領域の電界の変化を検出して、上記検出対象または上記検出対象の状態変化を検出する処理手段とを有し、
複数の上記電界印加手段は、上記検出対象が上記検出領域に近接していない、または上記検出対象が所定の状態である場合に、複数の上記電界印加手段から印加される電界が打ち消しあって、上記検出領域および上記電界検出手段の近傍の電界が略０となるような電界を印加する
ことを特徴とする検出装置。
【請求項１７】
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させ、上記直線上の電界を検出することを特徴とする検出方法。
【請求項１８】
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、
上記直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子とを有する検出装置を用いた
ことを特徴とする静脈センシング装置。
【請求項１９】
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、
上記直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子とを有する検出装置を用いた
ことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２０】
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、
上記直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子とを有する検出装置を用いた
ことを特徴とする歪み検知装置。
【請求項２１】
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、
上記直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子とを有する検出装置を用いた
ことを特徴とする金属探知機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、新規な原理に基づく検出装置、検出方法、静脈センシング装置、走査プローブ顕微鏡、歪み検知装置および金属探知機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体内における血管などを非侵襲的に測定する測定装置として、本出願人により提案されたものがある（特許文献１参照。）。この測定装置では、複数の周波数にそれぞれ対応する各距離において誘導電磁界に比して大きい強度が得られる準静電界を発信電極から発信し、この距離に対応する周波数の準静電界の強度変化を検出電極で検出することにより、血管などの状態を測定する。
【０００３】
一方、従来、磁界感応センサを備えた近接スイッチが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この近接スイッチでは、垂直方向の磁化方向を有するＵ字形の永久磁石のＵ字の脚部の間に、３つの同名の極によって無磁束の領域が形成され、この領域において磁界に感応するセンサが取り付けられており、かつＵ字形の脚部の上方においてＵ字の基部に平行な平面において接近可能な面状の強磁性トリガ部材を備え、このトリガ部材がＵ字形の脚部の２つの極に接近する際に、前記無磁束の領域の相殺によってトリガされる、センサの切換信号が評価可能である。この近接スイッチを図４９ＡおよびＢ（特許文献２の図１と等価な図）に示す。この近接スイッチの原理は次の通りである。図４９Ａに示すように、この近接スイッチにおいては、Ｕ字形の永久磁石のＵ字の脚部の間に、３個のＮ極で磁界を打ち消すために無磁束の領域、従って無磁界領域が生ずる。図４９Ｂに示すように、トリガ部材として強磁性体が近接したとき、無磁界領域であった位置に磁界が生ずる。無磁界領域に取り付けた磁界感応センサによりこの磁界の変化を検出し、強磁性体の近接を推測する。
また、磁界感応センサを固有の永久磁石装置の無磁界領域に配設することが知られている（特許文献３参照。）。
【０００４】
特許文献２、３で開示された技術によれば、従来は磁界感応センサでは検出できなかった強磁性体などの近接を検出することができる。その原理は、永久磁石の磁界と強磁性体との相互作用により磁界が歪み、それによって無磁界領域に変化が生ずることを磁界感応センサで検出するものである。しかしながら、特許文献２、３には、電荷を発生させる電極と、電界を検出する電界検出素子とを用いる検出装置については、何ら開示も示唆もされていない。
生体の各組織は、電気的特性（誘電率、導電率）が異なる、また組織ごとに周波数特性が異なる誘電体であることが知られている（非特許文献１、２、３参照。）。この性質（組織ごとの電気的特性の違い）を利用して、電気的な方法で組織を検出する方法であるインピーダンスＣＴ（Computed Tomography)が従来から研究されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−７３９７４号公報
【特許文献２】特表平９−５１１３５７号公報
【特許文献３】ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９０１６７８号明細書
【非特許文献１】C Gabriel, S Gabriel and E Corthout: "The dielectric properties of biological tissues: I. Literature survey", Phys. Med. Biol. 41(1996) 2231-2249
【非特許文献２】S Gabriel, R W Lau and C Gabriel: "The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz", Phys. Med. Biol. 41(1996) 2251-2269
【非特許文献３】S Gabriel, R W Lau and C Gabriel: "The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues", Phys. Med. Biol. 41(1996) 2271-2293
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らの知見によれば、特許文献１に提案された測定装置では、例えば血管と表皮との間にわずかでも脂肪組織が存在すると感度を得ることができず、血管の状態を正確に測定することが困難であった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、新規な原理に基づき、血管などの各種の対象物を高感度かつ高精度で検出することができる検出装置および検出方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の新規な検出装置を用いた高性能の静脈センシング装置、走査プローブ顕微鏡、歪み検知装置および金属探知機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させ、上記の直線上の電界を検出するようにすることにより、上記課題を解決することができることを見出し、この発明を案出するに至った。この新規な原理に基づく検出装置および検出方法は、特許文献２、３に基づいて容易に考えられるものではない。以下にその理由について説明する。
【０００８】
磁界と電界とは、電界での電荷に相当する単極子( モノポール) が磁界には存在しない点で異なるが、単極子ではなく双極子（ダイポール）で構成した場合には両者は基本的に等価となる。従って、特許文献２、３に開示された２つの従来技術における磁界を電界に置き換え、磁気双極子を電気双極子に置き換えることにより、特許文献２、３に開示された技術と同様な原理に基づく電界センサの実現が一見可能であるように考えられるが、次のような理由により、実際にはそのようなことは不可能である。すなわち、これらの従来技術において上記のような置き換えを行っただけでは、電界感応センサから信号を得るための配線自体が電極となってしまい、これが極子構造に影響を及ぼして対称性が喪失することにより電界がゼロとなる領域が形成されず、電界センサとして成立しなくなる。言い換えれば、磁界センサの構造と電界センサの構造とは、その物理効果の違いから構造的な互換性がない。また、上記のような置き換えを行った場合、図４９Ａに破線の円で示す３つのＮ極が電荷による３重極に対応するが、この発明は３重極では成立せず、最低でも４重極以上が必要であり、この点でも磁界センサの構造と電界センサの構造とは互換性がない。
【０００９】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、
上記直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子と
を有することを特徴とする検出装置である。
【００１０】
この検出装置においては、典型的には、ｍ個の電荷のうちの互いに隣り合う電荷の符号は互いに異なり（一方が正電荷、他方が負電荷）、また、ｍ個の電荷の絶対値は互いに等しい。
この検出装置においては、回転対称なｍ個の電荷の回転軸である直線上では、これらの電荷によって発生する電界の重ね合わせにより、電界Ｅ0 が０［Ｖ／ｍ］となる。ここでは、この電界Ｅ0 ＝０［Ｖ／ｍ］の領域（点、線、面）を特異領域と呼び、Ｅ0 ＝０［Ｖ／ｍ］の領域の近傍にＥ0 ≒０［Ｖ／ｍ］の領域が存在する場合には、電界Ｅ0 ＝０［Ｖ／ｍ］の領域とこのＥ0 ≒０［Ｖ／ｍ］の領域との全体を特異領域と呼ぶ。直線上の電界を検出するとは、この特異領域の電界を検出することを意味する。検出感度および検出精度の向上を図る観点からは、この特異領域の内外で急峻な電界の強度変化を起こすことが望ましい。すなわち、電界の強度変化を直接測定する場合には、電界Ｅ0 がＥ0 ＋ΔＥに変化したとき、特にＥ0 ＞＞ΔＥならば、変化量ΔＥはＥ0 に比してわずかであるため検出が難しく、アンプで増幅しても変化量ΔＥとＥ0 との比率は変わらないため検出困難なことは改善できないのに対し、特異領域で電界を検出すれば、検出した電界強度がそのまま変化量ΔＥに相当するため、電界変化を高精度かつ高感度に検出することができる。
【００１１】
電界検出素子およびこの電界検出素子から外部に引き出す配線は上記の直線上に設けることが望ましい。これは、電界検出素子から外部に引き出す配線を等電位面上に設けることを意味する。すなわち、電界検出素子およびこの電界検出素子から外部に引き出す配線を等電位面上に設けることにより、ｍ個の電荷の回転対称性を保つことができる。
この検出装置においては、何らかの原因により、特異領域の電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］またはＥ0 ≒０［Ｖ／ｍ］以外に変化することを検出することにより、ｍ個の電荷の回転対称性が破れたことを検出することができる。
【００１２】
ｍ個の電荷は、例えば、多重極または平面２ｎ重極（ｎは２以上の整数）を構成し、あるいは正多面体または準正多面体の頂点に発生するようにする。多重極は、ｋ個（ｋは２以上の整数）の双極子を、隣り合う双極子の電荷の符号が互いに逆になるように配置したものとみなすことができ、例えば４重極、８重極などが挙げられる。平面２ｎ重極は、平面上にｎ個の双極子を、隣り合う双極子の電荷の符号が互いに逆になるように配置したものとみなすことができ、例えば４重極、６重極、８重極などが挙げられる。正多面体としては立方体が挙げられ、これは８重極を発生させる場合に用いることができる。準正多面体としては、切隅８面体（The Truncated Octahedron）や大菱形立方八面体（The Rhombitruncated cuboctahedron)などが挙げられる。
【００１３】
例えば、４重極では、電荷分布は回転軸である直線の周りの１８０度の回転に対して不変な２回回転対称性を有し、回転軸である直線は１つだけである。この場合、この直線あるいはこの直線およびその近傍の領域が特異領域である。この４重極は、特異領域の内外の電界変化が特に急峻であり、電荷の回転対称性が破れたことの検出感度および検出精度が顕著に優れているので、特に好ましい。立体構造の８重極では、電荷分布は回転軸である直線の周りの１８０度の回転に対して不変な２回回転対称性を有し、回転軸である直線は互いに直交する３つの直線である。この場合、これらの直線あるいはこれらの直線およびその近傍の領域が特異領域である。
【００１４】
この検出装置は、例えば、（１）ｍ個の電極のうちの少なくとも１つの電極の位置の変化、（２）ｍ個の電極のうちの少なくとも１つの電極に発生する電荷の電荷量（電圧）の変化、（３）ｍ個の電極の外部の電荷（帯電した導体を含む）または物体（導体または誘電体からなるもの）を検出することができる。すなわち、（１）では、少なくとも１つの電極の位置が何らかの原因により変化すると、ｍ個の電荷の回転対称性が破れるため、ｍ個の電荷の回転軸である直線上の電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］またはＥ0 ≒０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。（２）では、少なくとも１つの電極に発生する電荷の電荷量が何らかの原因により変化すると、ｍ個の電荷の回転対称性が破れるため、ｍ個の電荷の回転軸である直線上の電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］またはＥ0 ≒０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。（３）では、ｍ個の電極の外部に電荷または物体（導電体または誘電体からなるもの）が存在すると、その影響でｍ個の電荷の回転対称性が破れるため、ｍ個の電荷の回転軸である直線上の電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］またはＥ0 ≒０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。
【００１５】
ｍ個の電極の電荷は、これらの電極に交流電圧を印加することにより発生するものであってもよいし、静電荷であってもよい。特に、ｍ個の電極に正弦波の交流電圧を印加することによりｍ個の電荷を発生させる場合には、正弦波の波長をλ、ｍ個の電荷を構成する双極子の長さをｄとしたとき、ｄ＜＜λ／２πであることが好ましい。この条件は、ｍ個の電荷により発生する電界において、準静電界が支配的となるようにするためのものである。
【００１６】
ｍ個の電極は、必要に応じて形状を選択することができるが、一般的には、点電極または平面電極であり、検出感度および検出精度の観点からは正方形の平面電極が好ましい。ｍ個の電極を１基本ユニットとした場合、検出装置は、１基本ユニットだけ用いてもよいし、この１基本ユニットを一次元アレイ状または二次元アレイ状に複数配置したマトリックスアレイ電極を用いてもよい。
電界検出素子の検出原理や構成は問わないが、一般的には検出電極が用いられる。この検出電極は、単一電極からなるものであってもよいが、検出感度および検出精度の向上の観点からは、例えば１対の電極を近接させた双極子（ダイポール）型のものを用いることが望ましい。この場合、このダイポール型の電極の間の電位差を測定し、必要に応じてこの電位差を増幅器などを用いて増幅することにより電界を検出することができる。このダイポール型の電極を２つ互いに直交して配置させて検出電極としてもよい。電界検出素子としては電気光学結晶を用いてもよく、電界によって屈折率変化が起こる電気光学効果を利用して電界を検出することができる。この場合、例えば、この電気光学結晶に偏波面を一定にしたレーザ光を照射し、この電気光学結晶を透過後のレーザ光の偏波面を検出し、偏波面の回転角度から屈折率変化を測定し、屈折率変化から電界を検出する。この電気光学結晶としては各種のものを用いることができる。
この検出装置は、電界の検出に基づいて電荷の検出、導体または誘電体の検出、物体の位置変化の検出などを行うことを利用する各種の装置、機器、システム、顕微鏡などに用いることができる。
【００１７】
第２の発明は、
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させ、上記直線上の電界を検出することを特徴とする検出装置である。
第３の発明は、
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させ、上記直線上の電界を検出することを特徴とする検出方法である。
【００１８】
第４の発明は、
検出対象または検出対象の状態変化を検出する検出装置であって、
上記検出対象に電界を印加する複数の電界印加手段と、
上記検出対象に近接する検出領域の電界を検出する電界検出手段と、
上記電界検出手段による上記検出領域の電界の変化を検出して、上記検出対象または上記検出対象の状態変化を検出する処理手段とを有し、
複数の上記電界印加手段は、上記検出対象が上記検出領域に近接していない、または上記検出対象が所定の状態である場合に、複数の上記電界印加手段から印加される電界が打ち消しあって、上記検出領域および上記電界検出手段の近傍の電界が略０となるような電界を印加する
ことを特徴とするものである。
ここで、電界印加手段の数は、典型的にはｍ個（ｍは４以上の偶数）である。また、検出領域とは、電界検出手段が電界を検出する領域を意味する。
【００１９】
第５の発明は、
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の偶数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、
上記直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子とを有する検出装置を用いた
ことを特徴とする静脈センシング装置である。
【００２０】
第６の発明は、
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の整数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、
上記直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子とを有する検出装置を用いた
ことを特徴とする走査プローブ顕微鏡である。
ここで、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）などの各種のものが含まれる。
【００２１】
第７の発明は、
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の整数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、
上記直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子とを有する検出装置を用いた
ことを特徴とする歪み検知装置である。
【００２２】
第８の発明は、
少なくとも１つの直線の周りに回転対称なｍ個（ｍは４以上の整数）の電荷であってそれらの電荷量の合計が略０であるものを発生させるｍ個の電極と、
上記直線上の電界を検出する少なくとも１つの電界検出素子とを有する検出装置を用いた
ことを特徴とする金属探知機である。
第２〜第８の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して述べたことが同様に成立する。
【００２３】
上述のように構成されたこの発明においては、ｍ個の電荷の回転軸である直線およびその近傍の特異領域では電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］またはＥ0 ≒０［Ｖ／ｍ］であるため、ｍ個の電荷の対称性が保たれているときには、この電界が保たれる。何らかの理由によりｍ個の電荷の対称性が破れたときは、特異領域の電界がＥ0 ＝０［Ｖ／ｍ］またはＥ0 ≒０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。また、回転軸である直線上に電界検出素子およびその配線を設けることにより、配線自体がｍ個の電荷の対称性に影響を及ぼさない。つまり、ｍ個の電荷の対称性が保存されるため、配線によって検出性能への影響が生じない。また、この検出装置および検出方法では、例えば、表皮と血管との間に脂肪組織が存在するような場合においても十分に大きな感度を得ることができ、血管を高感度かつ高精度で検出することができる。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、新規な原理に基づき、血管などの各種の対象物を高精度かつ高感度で検出することができる検出装置を実現することができる。そして、この検出装置を用いて高性能の静脈センシング装置、走査プローブ顕微鏡、歪み検知装置および金属探知機を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、この発明による検出装置においてｍ個の電荷の発生に用いられる電極構造およびｍ個の電荷により発生する特異領域の具体例について説明する。
（１）４重極
４重極を得るためには、正方形の頂点の位置に４個の電極を配置する。そして、正方形の１つの対角線上の電極に同じ電圧を印加するとともに、この電圧に対して極性が反転した電圧をもう１つの対角線上の電極に印加する。印加電圧は直流電圧または交流電圧である。
【００２６】
直流電圧を印加する場合、１つの対角線上の電極は＋Ｑ［Ｃ］に帯電し、もう１つの対角線上の電極は−Ｑ［Ｃ］に帯電する。
交流電圧を印加する場合は、例えば、１つの対角線上の電極に正弦波電圧を印加し、もう１つの対角線上の電極にはこの正弦波電圧から位相を１８０度ずらした正弦波電圧を印加する。
この発明において、電極に直流電圧を印加する場合と交流電圧を印加する場合とは原理的に同等であるので、以下においては電極に直流電圧を印加して静電荷を帯電させるモデルで説明する。
【００２７】
４個の電極の全ての電荷の絶対値が互いに等しい場合には、４個の電極のちょうど中央に特異領域が生ずる。このときの電荷分布を図１ＡおよびＢに示す。この場合、ｘｙ平面上に４個の点電荷＋Ｑ、−Ｑ、＋Ｑ、−Ｑが配置されている。図１Ａにおいて、破線で表されるｚ軸が電界０［Ｖ／ｍ］の特異領域を示す。また、図１Ｂにおいて、破線で表されるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が電位０［Ｖ］の領域を示す。
【００２８】
図２ＡおよびＢは、図１ＡおよびＢに示す電荷分布において４個の点電荷によって発生する電界の重ね合わせによりｘｙ平面内の電界を計算してマッピングした図であり、図２Ａでは電界Ｅ［Ｖ／ｍ］を対数尺度で表し、図２Ｂでは電界Ｅ［Ｖ／ｍ］を線形尺度（リニアスケール）で表している。図３ＡおよびＢはそれぞれ図２ＡおよびＢの中心部を拡大したものである。また、図２Ｃは図２ＡおよびＢに示す電界分布に対応する電位分布、図３Ｃは図２Ｃの中心部を拡大したものである。ただし、Ｑ＝１［Ｃ］、点電荷間の距離は０．０１ｍとした。
図２Ｂおよび図３Ｂからわかるように、特異領域は４個の電極の中央（ｘ＝０、ｙ＝０の位置）に生ずる。図２Ｃにおける黒い太線は電位０［Ｖ］の領域を示す。
【００２９】
（２）平面２ｎ重極
平面２ｎ重極は上記の平面上の４重極を一般化したものであり、正２ｎ角形（正方形、正六角形、正八角形など）の頂点に相当する位置に隣同士が逆極性になるように電荷を配置した構造である。この場合、この正２ｎ角形の中心部が特異領域になる。
図４Ａに６重極（ｎ＝３の場合）、図４Ｂに８重極（ｎ＝４の場合）を示す。
４重極、６重極および８重極の中心部の特異領域の急峻さを評価した。その結果を図５に示す。図５からわかるように、平面２ｎ重極では４重極の特異領域が最も急峻であり、対称性が破れたことを鋭敏に検出することができる。
【００３０】
図５からわかるように、平面２ｎ重極ではｎが大きいほど特異領域の内外の電界変化が緩やかであるが、これは次のような理由による。
図６Ａ、ＢおよびＣに示すように、多角形（正方形、正六角形および正八角形）の隣り合う２個の頂点にある電荷（＋Ｑ、−Ｑ）に着目する。多角形の中心、すなわち特異領域から各頂点までの距離ｒが一定であれば、ｎが大きくなるほど、隣り合う電荷間の距離ｌ（＝多角形の辺の長さ）が小さくなる。図６Ａ、ＢおよびＣにおいてはｌ4 ＞ｌ6 ＞ｌ8 である。
【００３１】
多角形の各頂点から特異領域までの距離ｒに対してｌが小さいほど、２個の電荷による電界が打ち消し合い、特異領域の電界強度が小さくなる。つまりｌが大きいほど、特異領域の電界強度が大きくなる。具体的には、正方形の頂点に電荷を配置した場合に、特異領域の電界強度が最大になる。図６Ａ、ＢおよびＣにおけるｘ軸上の電界強度をグラフにしたものを図７に示す。図７からわかるように、４重極の２個の電荷による電界強度が、他の平面２ｎ重極の２個の電荷による電界強度に比べて最も大きい。
【００３２】
（３）立体構造の８重極
立体構造の８重極を得るためには、立方体の頂点の位置に８個の電極を配置する。
８個の電極の全ての電荷の絶対値が等しい場合には、８個の電極のちょうど中央、すなわち立方体の中心に特異領域が生ずる。このときの電荷分布を図８ＡおよびＢに示す。図８Ａにおいて、破線で表されるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が電界０［Ｖ／ｍ］の特異領域を示す。また、図８Ｂにおいて、破線で示した３枚の平面（ｘｙ平面、ｙｚ平面、ｚｘ平面）が電位０［Ｖ］の領域を示す。
【００３３】
図９ＡおよびＢは、図８ＡおよびＢに示す電荷分布において立方体の下面の電界を計算してマッピングした図であり、図９Ａでは電界Ｅ［Ｖ／ｍ］を対数尺度で表し、図９Ｂでは電界Ｅ［Ｖ／ｍ］を線形尺度で表している。図１０ＡおよびＢはそれぞれ図９ＡおよびＢの中心部を拡大したものである。また、図９Ｃは図９ＡおよびＢに示す電界分布に対応する電位分布、図１０Ｃは図９Ｃの中心部を拡大したものである。ただし、Ｑ＝１［Ｃ］、点電荷間の距離は０．０１ｍとした。
図９Ｂおよび図１０Ｂからわかるように、特異領域は８個の電極の中央（ｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝０の位置）に生ずる。図９Ｃにおける黒い太線は電位０［Ｖ］の領域を示す。
【００３４】
（４）その他の多重極構造の例
正多面体、準正多面体で全ての面の形状が２ｎ角形ならば、各面の頂点に、隣り合う極性が反転するように電荷を与えて多重極を構成することができる。このとき、各面の中心の法線を軸とした回転対称図形になる。つまり、各面の中心の法線が特異領域になるように構成することができる。正多面体でこの構成が可能なものは立方体のみで、上記の８重極に該当する。
準正多面体でこの構成が可能なものは、切隅８面体や大菱形立方８面体などがある。切隅８面体の各面の頂点に、隣り合う極性が反転するように電荷を与えて多重極を構成した場合を図１１に示す。
【００３５】
以上のことを前提としてこの発明の実施形態について説明する。
図１２ＡおよびＢはこの発明の第１の実施形態による検出装置を示し、図１２Ａは斜視図、図１２Ｂは側面図を示す。
図１２ＡおよびＢに示すように、この検出装置においては、正方形の頂点に４個の電極１１〜１４を配置し、これらの電極１１〜１４により４重極を構成する。これらの電極１１〜１４はそれぞれ信号源１５〜１８を介して導体板１９に接続されている。導体板１９は接地され、電位の基準となる。電極１１、１４に信号源１５、１８により同じ正弦波電圧を印加し、電極１２、１３には信号源１６、１７により、電極１１、１４に印加した正弦波電圧と位相が１８０度ずれた正弦波電圧を印加する。このとき、４個の電極１１〜１４の中心を通る垂直線上に特異領域が生ずる。この特異領域に電界検出用の検出電極２０を設ける。検出対象がない場合は、電極１１〜１４の電荷の対称性があるため、この検出電極２０により検出される電界は特異領域の電界、すなわちＥ＝０［Ｖ／ｍ］またはＥ≒０［Ｖ／ｍ］である。
【００３６】
いま、図１３に示すように、検出対象２１が電極１１、１２の下にある場合を考える。この場合、電極１３、１４から拡がる電界の強度は大きく、一方、電極１１、１２から拡がる電界の強度は小さくなる。この違いにより、検出電極２０により検出される電界がＥ＝０［Ｖ／ｍ］またはＥ≒０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。逆に、検出電極２０により検出される電界がＥ＝０［Ｖ／ｍ］またはＥ≒０［Ｖ／ｍ］以外であれば、電極１１〜１４の近傍に検出対象２１が近接したことを検出することができる。
この場合、検出対象２１の検出に際しては、検出対象２１とその周りの空間との電気的特性（誘電率、導電率）の違いを利用している。検出対象２１は、具体的には、例えば、空気中の導体、空気中の誘電体（誘電体の誘電率は空気の誘電率より大きい方が検出しやすい）、脂肪中の血液（脂肪に比べて血液は導電率が大きい）などである。
【００３７】
検出対象２１が棒状または線状である場合（例えば、検出対象２１が静脈である場合）には、電界強度だけではなく、検出する電界ベクトルを考慮に入れることが好ましい。そこで、このような場合について説明する。
棒状または線状の検出対象２１が４個の電極１１〜１４のうちの２個の電極の下に位置する場合は、この検出対象２１の向き（長手方向）と同じ方向の成分の電界が生ずる。例えば、図１４Ａに示すように、電極１３、１４の下に棒状の検出対象２１が位置する場合には、ｙ方向の電界成分Ｅy が支配的となる。また、図１４Ｂに示すように、電極１２、１４の下に棒状の検出対象２１が位置する場合には、ｘ方向の電界成分Ｅx が支配的となる。従って、この場合には、ｘ方向の電界成分Ｅx およびｙ方向の電界成分Ｅy の両方を検出することができるような検出電極２０を設けるのが好ましい。こうすることで、電界成分Ｅx 、Ｅy およびそれらの大きさによって検出対象２１の方向を検出することができる。
【００３８】
この検出装置においては、電極１１〜１４の配置、電極１１〜１４の形状、電極１１〜１４から検出対象２１までの距離が検出量（電界強度）に関係する。そこで、これらについて電磁界シミュレーションに基づき定式化を行った結果について説明する。
シミュレーションの条件は次の通りである。
定式化のモデルを図１５に示す。導体板の大きさは０．０４ｍ×０．０４ｍ、電極間ピッチは０．０４ｍ、検出対象は長さ０．０８ｍ、断面０．０４８ｍ×０．０４８ｍの導体棒とした。
シミュレーションソフトウエア：株式会社情報数理研究所ＥＥＭ−ＦＤＭ
計算手法：マクスウェル方程式を周波数領域差分法で計算。
計算領域：ｘ：−０．０４〜０．０４ｍ、ｙ：−０．０６〜０．０６ｍ、ｚ：−０．０５〜０．０５ｍ
メッシュサイズ：０．００２ｍ
周波数：１ＭＨｚ、振幅：１Ｖ
【００３９】
定式化項目は次の通りである。
ａ．検出対象の水平位置−特異領域の電界強度
ｂ．検出対象の深さ−特異領域の電界強度
ｃ．検出対象の大きさ−特異領域の電界強度
ｄ．電極間ピッチ−検出深さ
ｅ．電極の長さ−検出深さ
ｆ．電極先端部大きさ−検出深さ
【００４０】
以下、順次説明する。
ａ．検出対象の水平位置−特異領域の電界強度
シミュレーションの結果を図１６に示す。図１６からわかるように、検出電界強度は検出対象と電極との水平位置関係に依存する。図１７に検出装置と検出対象との水平方向の位置関係を示す。図１６および図１７からわかるように、検出対象である導体棒のエッヂが電極の中心（特異領域）に位置するとき、すなわち図１６の横軸の水平方向変位が約２８ｍｍのときに最も検出電界強度が大きくなる。
【００４１】
ｂ．検出対象の深さ−中心点の電界強度
シミュレーションの結果を図１８に示す。図１８からわかるように、検出対象が近い、言い換えると検出深さが浅いものほど、電界強度が高くなり、検出しやすい。
ｃ．検出対象の大きさ−特異領域の電界強度
シミュレーションの結果を図１９に示す。図２０に検出対象の大きさを変化させたときの側面図を示す。図１９からわかるように、検出対象の大きさが変化しても、特異領域の電界強度はほぼ一定であり、検出対象の大きさの影響はほとんどない。
【００４２】
ｄ．電極間ピッチ−検出深さ
シミュレーションの結果を図２１に示す。図２１からわかるように、電極間ピッチは、大きい方が深い位置の検出対象を検出しやすい傾向がある。
ｅ．電極の長さ−検出深さ
シミュレーションの結果を図２２に示す。図２２からわかるように、電極長さは、２０ｍｍ程度以上あれば検出対象の検出性能はほぼ一定になる。
ｆ．電極先端部の大きさ−検出深さ
シミュレーションの結果を図２３に示す。図２３からわかるように、電極先端部の平板の面積が大きい方が検出に有利である。
【００４３】
以上のことをまとめると、特異領域の電界強度は、検出対象の水平方向位置と深さとに依存し、水平方向では位置変化に対する感度が顕著に高く、深い位置の検出対象は検出量が小さくなる。また、電極を平板とし、その平板の面積が大きいほど、深い位置の検出対象を検出することができる。
【００４４】
次に、この検出装置による検出内容について説明する。
まず、この検出装置により、電極１１〜１４の位置変化を検出する場合について説明する。
いま、電極１１〜１４のいずれかの位置が変化したことにより電荷の位置がずれたとする。ここでは、電極１１、１２が、図１２ＡおよびＢ中において左に約０．００１［ｍ］ずれた場合を考える。電極１１、１２の位置がずれる前の４重極の電界強度をマッピングしたものを図２４Ａに、電極１１、１２の位置が約０．００１［ｍ］ずれた後の４重極の電界強度をマッピングしたものを図２４Ｂに示す。また、図２５Ａは図２４Ａにおけるｙ＝０の線上の電界強度をグラフにしたもの、図２５Ｂは図２４Ｂにおけるｙ＝０の線上の電界強度をグラフにしたものであり、横軸はｘ方向の位置を示す。
【００４５】
図２４ＡおよびＢならびに図２５ＡおよびＢからわかるように、電界強度０の位置の電界は、
電極１１、１２の位置がずれていない場合：ｘ＝０［ｍ］でＥ＝０［Ｖ／ｍ］
電極１１、１２が左にずれた場合：ｘ＝０［ｍ］でＥ＝３６．１［Ｖ／ｍ］
である。
この場合、特異領域の電界強度０の部分が左（ｘの負方向）へ０．００１／２＝０．０００５［ｍ］移動するが、特異領域近傍では、電界の変化が急峻であるため、電界の検出量が大きい。一般的には、電極が２個だけ平行にｘ軸方向にａだけ移動した場合、特異領域はａ／２だけ移動する。図２５ＡおよびＢのグラフからわかるように、特異領域での電界の変化量が大きい。
【００４６】
次に、この検出装置により、電極１１〜１４の電荷量の変化を検出する場合について説明する。
いま、電極１１、１２の電荷＋１［Ｃ］、−１［Ｃ］が２倍の＋２［Ｃ］、−２［Ｃ］に変化した場合を考える。電極１１、１２の電荷量が変化する前の４重極の電界強度をマッピングしたものを図２６Ａに、電極１１、１２の電荷量が２倍に変化した後の４重極の電界強度をマッピングしたものを図２６Ｂに示す。また、図２７Ａは図２６Ａにおけるｙ＝０の線上の電界強度をグラフにしたもの、図２７Ｂは図２６Ｂにおけるｙ＝０の線上の電界強度をグラフにしたものであり、横軸はｘ方向の位置を示す。
【００４７】
次に、この検出装置により、電極１１〜１４の付近に他の電荷が近づいてきたことを検出する場合について説明する。
この場合には、４重極の電界強度と、電極１１〜１４に近づいてくる電荷の電界強度との重ね合わせが生ずる。この重ね合わせの結果電界強度が０になる位置で検出を行う。
【００４８】
次に、電極１１〜１４に印加する電圧の周波数について説明する。
この検出装置では、電極１１〜１４の電荷により静電的に特異領域を決定している。電極１１〜１４に静電荷（直流の場合）を帯電させてもよいし、この電極１１〜１４に、波長λが検出対象２１あるいは検出部より十分大きい、すなわち電極１１、１２間あるいは電極１３、１４間の間隔、言い換えると双極子の長さｄに対し、ｄ＜＜λ／２πの周波数の正弦波電圧を印加する。
【００４９】
次に、検出電極２０による電界検出方法の具体例について説明する。図２８Ａは検出電極２０の一例を示す。図２８Ａに示すように、この例では、検出電極２２を一対の電極２０ａ、２０ｂからなる微小ダイポールにより構成する。この微小ダイポールは、電極１１〜１４とほぼ等しい高さに配置する。この微小ダイポールを構成する電極２０ａ、２０ｂは差動アンプ３１の入力端子にそれぞれ接続されている。この場合、電極２０ａ、２０ｂ間の電位差を検出し、この電位差を電界に換算することにより電極１１〜１４の中心位置の電界を求めることができる。電極２０ａ、２０ｂ間の電位差は、入力インピーダンスが高い差動アンプ３１で低いインピーダンスに変換した後、同軸ケーブル３２およびアンプ３３を経由して処理装置３４に信号を伝える。この場合、検出部は検出部シールド３５によりシールドされている。
【００５０】
図１４ＡおよびＢに示すような場合に、電界ベクトルの成分Ｅx 、Ｅy の両方を検出することができるようにするには、例えば、図２８Ｂの平面図に示すように、ｘ軸方向の一対の電極２０ａ、２０ｂからなる微小ダイポールとｙ軸方向の一対の電極２０ｃ、２０ｄからなる微小ダイポールとにより検出電極２０を構成する。ｘ軸方向の微小ダイポールを構成する電極２０ａ、２０ｂは差動アンプ３１の入力端子にそれぞれ接続されている。同様に、ｙ軸方向の微小ダイポールを構成する電極２０ｃ、２０ｄは差動アンプ３６の入力端子にそれぞれ接続されている。この場合、電極２０ａ、２０ｂ間の電位差を検出し、この電位差を電界に換算することにより、電界ベクトルの成分Ｅx を求めることができる。同様に、電極２０ｃ、２０ｄ間の電位差を検出し、この電位差を電界に換算することにより、電界ベクトルの成分Ｅy を求めることができる。
【００５１】
以上のように、この第１の実施形態による検出装置によれば、電極１１〜１４に発生する電荷による４重極の特異領域に検出電極２０を設けて電界を検出することにより、検出対象２１を高感度かつ高精度に検出することができる。この検出装置は、電極１１〜１４の位置変化や、電極１１〜１４の電荷量の変化や、電極１１〜１４の付近に他の電荷が近づいてきたことなどの検出に用いることができる。
【００５２】
次に、この発明の第２の実施形態による検出装置について説明する。
この検出装置においては、第１の実施形態による検出装置における検出電極２０の代わりに、電気光学結晶を用いた検出素子により電界ベクトルの成分Ｅx 、Ｅy を検出する。図２９Ａにその一例を示す。図２９Ａに示すように、導体板１９に開けた穴に光ファイバ３７、３８をｚ軸方向に平行に通す。これらの光ファイバ３７、３８はそれぞれ電界ベクトルの成分Ｅx 、Ｅy の検出用である。これらの光ファイバ３７、３８としては偏波保持ファイバが用いられる。光ファイバ３７の一端には電気光学結晶３９およびミラー４０が取り付けられている。また、光ファイバ３８の一端には光を９０度曲げる光学部品４１が取り付けられている。この光学部品４１は例えばミラーまたはプリズムである。この光学部品４１の先端にｘ軸方向に平行に光ファイバ４２が取り付けられ、この光ファイバ４２の先端に電気光学結晶４３およびミラー４４が取り付けられている。光ファイバ４２としても偏波保持ファイバが用いられる。ここで、同じ位置の電界ベクトルの成分Ｅx 、Ｅy を検出するため、電気光学結晶３９、４３はｘｙ平面で同じ位置にかつｚ軸方向に互いに近接して設けられている。電気光学結晶３９、４３としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）が用いられるが、これに限定されるものではない。電気光学結晶３９、４３の結晶方位は、電気光学結晶３９については電界ベクトルの成分Ｅx によってのみ屈折率変化が生じ、電気光学結晶４３については電界ベクトルの成分Ｅy によってのみ屈折率変化が生じるように定められている。電気光学結晶３９、４３は、電極１１〜１４に対して十分に小さく構成する。電気光学結晶３９、４３の大きさの具体例を挙げると、２７０μｍ×２７０μｍ×１０μｍの正方形の板や、直径１２５μｍ、厚さ５μｍの円板などである。
【００５３】
光ファイバ３７、３８の他端は光検出系と接続されている。この光検出系の一例を図３０に示す。ここでは、光ファイバ３７の他端に接続された光検出系について説明するが、光ファイバ３８の他端に接続された光検出系についても同様である。図３０に示すように、光ファイバ３７の他端は、集光レンズ４５、ビームスプリッタ４６、集光レンズ４７および光ファイバ４８を介してレーザ光源４９と接続されている。光ファイバ４８としても偏波保持ファイバが用いられる。ビームスプリッタ４６から取り出される一つの光の光路上には、１／２波長板５０、１／４波長板５１および偏光ビームスプリッタ５２が設けられている。偏光ビームスプリッタ５２から取り出される二つの光は集光レンズ５３、５４により集光されてフォトダイオード５５、５６で検出される。これらのフォトダイオード５５、５６からの電気信号は差動アンプ５７に入力され、この差動アンプ５７の出力はロックインアンプ５８に入力されるようになっている。
【００５４】
この電気光学結晶を用いた検出素子により電界ベクトルの成分Ｅx 、Ｅy を検出する方法について説明する。
図３０に示すように、レーザ光源４９からの、偏波面を一定にしたレーザ光５９は、光ファイバ４８、集光レンズ４７、ビームスプリッタ４６、集光レンズ４５、光ファイバ３７および電気光学結晶３９を順次通ってミラー４０に入射する。このミラー４０で反射されたレーザ光５９は再び電気光学結晶３９を通る。図２９Ｂにレーザ光５９がミラー４０に入射し、反射される様子を示す。レーザ光５９が電気光学結晶３９を通るとき、この電気光学結晶３９の位置の電界ベクトルの成分Ｅx によりこの電気光学結晶３９の屈折率が変化し、その変化量に応じた角度だけレーザ光５９の偏波面が回転する。この電気光学結晶３９を通ったレーザ光５９は、光ファイバ３７および集光レンズ４５を通ってビームスプリッタ４６に入射する。このビームスプリッタ４６から取り出される一つの光は１／２波長板５０および１／４波長板５１を順次通り、偏光ビームスプリッタ５２に入射する。この偏光ビームスプリッタ５２で互いに直交する偏波成分に分離された二つの光はそれぞれ集光レンズ５３、５４により集光されてフォトダイオード５５、５６に入射し、電気信号に変換される。これらのフォトダイオード５５、５６から出力される電気信号は差動アンプ５７に入力される。この差動アンプ５７では、フォトダイオード５５、５６への入射光量の差が、これらのフォトダイオード５５、５６から出力される電気信号の差として検出される。こうして得られる電気信号により、電界ベクトルの成分Ｅx を求めることができる。電界ベクトルの成分Ｅy についても同様に求めることができる。
【００５５】
光ファイバ３７、３８、４２、４８の誘電率が周囲（例えば、空気）の誘電率と異なる場合は、これらの光ファイバ３７、３８、４２、４８の存在が検出位置の電界に影響を与えるおそれがあるが、光ファイバ３７、３８、４２、４８の屈折率は約１．１〜１．５、従って比誘電率はεr ＝約１．２〜２．５であり、空気の誘電率（比誘電率１）に近いため、光ファイバ３７、３８、４２、４８による電界への影響は、電気的な検出方式で課題になっている配線による電界への影響に比べて小さい。
上記以外のことは、第１の実施形態と同様である。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００５６】
次に、この発明の第３の実施形態による静脈センシング装置について説明する。
この静脈センシング装置においては、図１２に示す第１の実施形態による４重極型検出装置を用い、皮膚の下に埋もれている静脈のパターンを検出する。
検出対象２１が棒状の静脈であるので、電界強度だけではなく、検出する電界ベクトルを考慮に入れることが好ましい。静脈がｘ軸方向にある場合には、電界ベクトルのｘ方向の成分Ｅx が０［Ｖ／ｍ］以外になる。静脈がｙ軸方向にある場合には、電界ベクトルのｙ方向の成分Ｅy が０［Ｖ／ｍ］以外になる。つまり、電界ベクトルの向きにより、静脈の方向を検出することができる。電界の検出には、例えば図２８Ｂに示す検出電極２０を用いることができる。
【００５７】
電磁界シミュレーションで、数値ファントムで構成した皮膚モデルに対して、４重極電極を用いて静脈検出を行うことができることを示す。
定式化のモデルを図３１に示す。導体板の大きさは０．００２ｍ×０．００２ｍ、電極間ピッチは０．００２ｍ、検出対象は長さ０．００８ｍ、断面０．００２ｍ×０．００２ｍの静脈とした。
正方形の１つの対角線上の２個の電極に同じ正弦波電圧を印加し、もう１つの対角線上の２個の電極にはこの正弦波電圧と位相が１８０度ずれた正弦波電圧を印加する。
周波数は、生体の電気的特性のうち血液の導電率が他の組織の導電率に比べて高くなる周波数を選択した。このシミュレーションでは１ＭＨｚの場合で計算した。
【００５８】
シミュレーションの条件は次の通りである。
シミュレーションソフトウエア：株式会社情報数理研究所ＥＥＭ−ＦＤＭ
計算手法：マクスウェル方程式を周波数領域差分法で計算。
計算領域：ｘ：−４ｍｍ〜４ｍｍ、ｙ：−３ｍｍ〜３ｍｍ、ｚ：−５ｍｍ〜５ｍｍ
メッシュサイズ：０．０００２ｍ
周波数：１ＭＨｚ、振幅：１Ｖ
生体ファントム：ヒトの表皮を模した図３２に示す生体ファントムによる。生体組織の表皮近くは、上から表皮、真皮、脂肪、筋肉という層構造になっている。手の甲、手首などの部位では真皮層のすぐ下の脂肪層の中に皮静脈が走っている。生体組織の電気的特性はガブリエルによる表１の値を用いた（非特許文献１〜３参照。）。
【００５９】
【表１】
2008212525.tif 000003
【００６０】
定式化項目は次の通りである。
ａ．静脈の水平位置−特異領域の電界強度
ｂ．静脈の深さ−特異領域の電界強度
ｃ．静脈の大きさ−特異領域の電界強度
ｄ．電極間ピッチ−検出深さ
ｅ．電極の長さ−検出深さ
ｆ．電極先端部大きさ−検出深さ
【００６１】
以下、順次説明する。
ａ．静脈の水平位置−特異領域の電界強度
シミュレーションの結果を図３３に示す。図３３からわかるように、検出電界強度は検出対象と電極の水平位置関係とに依存する。静脈のエッヂが電極の中心に位置するときが最も検出電界強度が大きくなる。
ｂ．静脈の深さ−特異領域の電界強度
シミュレーションの結果を図３４に示す。図３４からわかるように、静脈が表皮に近いほど、電界強度が高くなり、検出しやすい。
【００６２】
ｃ．静脈の大きさ−特異領域の電界強度
シミュレーションの結果を図３５に示す。図３５からわかるように、静脈の大きさの影響はほとんどない。静脈と脂肪の境界の電気的特性の違いを検出しているため、静脈の大きさにはある程度以上太くても検出性能に影響がないと考えられる。
ｄ．電極間ピッチ−検出深さ
シミュレーションの結果を図３６に示す。図３６からわかるように、電極間ピッチは大きい方が深い位置のターゲットを検出しやすい傾向がある。
ｅ．電極の長さ−検出深さ
シミュレーションの結果を図３７に示す。図３７からわかるように、電極の長さは小さい方が深い位置のターゲットを検出しやすい傾向がある。
【００６３】
以上のことをまとめると、生体内部の表皮近くにある静脈（血液）の深さについては、静脈の水平方向位置と深さとに依存し、水平方向では位置の変化に対する感度が顕著に高く、深い位置の対象は検出量が小さくなる。電極先端部の平板の面積を大きくする方法や電極間ピッチを狭くする方法で検出量を大きく改善することができることがわかった。
【００６４】
この第３の実施形態による静脈センシング装置によれば、表皮の上から生体内部の静脈を非侵襲的に高感度かつ高精度に検出することができ、静脈のパターンを正確に検出することができる。この静脈センシング装置は、例えば、静脈個人認証の目的で腕静脈に当てて静脈のパターンを検出する場合に適用することができる。
表皮の上から生体内部の静脈パターンを検出する従来の方法としてインピーダンス測定方式があるが、インピーダンス測定方式では、電極を皮膚に接触する押し当て方でインピーダンスが変動し安定しない、発汗の影響を受ける、静脈と静脈以外の差が明瞭でない、電極を接触するときに皮膚に２種類の電極（金属）を当てると起電力が生じてしまい、インピーダンス測定のノイズになる、などの問題がある。これに対し、この第３の実施形態による静脈センシング装置はこのような問題がない。表２に、本方式による検出方法とインピーダンス測定方式による検出方法とを比較して示す。
【００６５】
【表２】
2008212525.tif 000004
【００６６】
次に、この発明の第４の実施形態による静脈センシング装置について説明する。
図３８に示すように、この静脈センシング装置においては、ｘｙ平面内に電極６１をマトリックスアレイ状に多数配置したマトリックスアレイ電極を用いる。このマトリックスアレイ電極は、第１の実施形態による検出装置において用いた４重極型電極を１基本ユニットとして２次元アレイ状に多数配置したものに相当する。このマトリックスアレイ電極の一部の拡大図を図３９に示す。図３９において、一点鎖線の正方形の頂点の４個の電極６１が第１の実施形態による検出装置の電極１１〜１４と対応し、これが１基本ユニットとなる。この１基本ユニットの中心が特異領域（電界検出位置）である。
【００６７】
図３８および図３９に示すマトリックスアレイ電極および第３の実施形態と同様な数値生体ファントムを用いて電磁界シミュレーションを行った。
シミュレーションの条件は次の通りである。
シミュレーションソフトウエア：株式会社情報数理研究所ＥＥＭ−ＦＤＭ
計算手法：マクスウェル方程式を周波数領域差分法で計算。
計算領域：ｘ：−０．００３〜０．０３１ｍ、ｙ：−０．００３〜０．０３１ｍ、
ｚ：−０．０５〜０．０５ｍ
メッシュサイズ：０．００２ｍ
周波数：１ＭＨｚ、振幅：１Ｖ
生体ファントム：ヒトの表皮を模した図３２の生体ファントムによる。電気的特性は表１に示す通りである。
電極６１は、１４×１４＝１９６個配置した。
【００６８】
１基本ユニットを構成する４個の電極６１の中心である検出位置１３×１３個のうちの中央部９×９個の検出位置の電界強度を図４０に示す。図４１は図４０のｙ＝０．０１４の断面を示す。静脈のエッヂに相当する部分の電界強度は約５．３［Ｖ／ｍ］である。それ以外の特異領域の電界強度は０．０８［Ｖ／ｍ］以下である。この電界強度の違いから静脈の位置を検出することができる。
【００６９】
マトリックスアレイ電極を用いることにより、水平方向分解能と深さ方向検出性能との両方の向上を図ることができる。その理由について説明する。
４重極型電極による検出性能は、すでに述べたように、電極面積が大きいほど深い位置の静脈を検出することができる。しかしながら、電極面積が大きいと平面分解能が悪くなる。そこで、マトリックスアレイ電極のうちの複数個の電極を群として電気的に同じ信号（電圧）を印加することで、見かけ上一つの大きな電極として扱う。この場合、最小構成要素、すわち１基本ユニットとその集合体の群とが同一構造となるため、これをフラクタル構造と呼ぶことにする。図４２Ａは、マトリックスアレイ電極の一部を示したものである。図４２Ａにおいて、破線で囲まれた４個の電極６１に電気的に同じ信号を印加して、１個の見かけ上面積が大きい電極として扱う。この場合、見かけ上面積が大きい電極を４個用いて４重極を構成することにより、より深い位置の検出対象（静脈）が検出可能となる。図４２Ｂは、図４２Ａと別の部位の電極６１で、面積が大きい電極を構成した例である。
【００７０】
このようなフラクタル構造を有するマトリックスアレイ電極を用いて検出を行う場合、例えば次のようにしてスキャンを行う。
マトリックスアレイ電極のスキャンは数回に分けて行う。第１のスキャンにおいては、図４２Ａにおいて破線で囲んだ４個の電極６１を用いて検出を行う。第２のスキャンにおいては、図４２Ｂにおいて破線で囲んだ４個の電極６１を用いて検出を行う。この場合、図４２Ａに比べてｘ方向にずらした電極構成にしている。第３のスキャンにおいては、図４２Ａをｙ方向にずらした電極構成を用いて検出を行う。第４のスキャンにおいては、図４２Ｂをｙ方向にずらした電極構成を用いて検出を行う。
【００７１】
以上のように、この第４の実施形態による静脈センシング装置によれば、マトリックスアレイ電極の電気的切り替えで面積が大きい電極を構成し、平面方向の分解能は１基本ユニットの電極６１のピッチに依存させ、その分解能でスキャンを行うことができる。このため、この静脈センシング装置においては、物理的に面積が大きい電極と同等の深さ方向の検出性能を得ることができるとともに、１基本ユニットの電極単位でスキャンを行うことができるため、単純に面積が大きい電極では得ることができなかった高い水平方向の分解能を得ることができる。
なお、図４２ＡおよびＢに示す例では、２×２個の電極６１を組み合わせることにより面積が大きい電極を構成したが、一般にｎ×ｎ個の電極を組み合わせて面積が大きい電極を構成することができる。これによって、平面方向だけでなく深さ方向に関してもスキャンを行うことが可能となり、３次元スキャンが可能となる。
【００７２】
次に、この発明の第５の実施形態による走査プローブ顕微鏡について説明する。
図４３に示すように、この走査プローブ顕微鏡においては、４個の電極１１〜１４が、従来の走査プローブ顕微鏡のプローブと同様に先端が尖った形状に形成され、これらの電極１１〜１４からなる基本ユニットが２次元アレイ状に多数配置されてマトリックスアレイ電極が形成されている。電極１１、１４間には同じ極性および位相の正弦波電圧を印加し、この正弦波電圧に対して位相が１８０度ずれた正弦波電圧を電極１２、１３間に印加する。電極１１〜１４の中心の特異領域に検出電極２０を設ける。
【００７３】
この走査プローブ顕微鏡の動作について説明する。図４３に示すように、図示省略したステージ上に試料７１を載せ、この試料７１の表面に、２次元アレイ状に多数配置された電極１１〜１４の尖った先端を近接させ、ステージを固定したまま電極１１〜１４の２次元アレイからなるマトリックスアレイ電極を電気的にスキャンする。このとき、電極１１〜１４の中心の特異領域の電界が試料７１の表面の凹凸に応じて変化するため、この変化を検出することにより試料７１の表面の凹凸を測定することができる。
この第５の実施形態によれば、新規な原理に基づく走査プローブ顕微鏡を実現することができる。この走査プローブ顕微鏡では、従来の原子間力顕微鏡と異なり、試料を水平移動させるための機構が不要であり、機械的に動作するカンチレバーを用いる必要がなく、非接触方式であるため試料に傷を付けるなどの影響を与えず、高速でしかも高精度に試料の表面の凹凸の探査を行うことができる。
【００７４】
次に、この発明の第６の実施形態による歪み検知装置について説明する。
この歪み検知装置においては、多重極電極の位置変化を特異領域の電界強度変化で検出することにより、建物などの構造物や土地などの歪みを検知する。
一例を図４４に示す。図４４に示すように、例えば建物８１の上面の四隅に４重極型電極、すなわち電極１１〜１４を設置する。例えば、建物８１が一つの部屋である場合は、天井の四隅に４重極型電極を設置してもよい。電極１１〜１４の中心の特異領域に検出電極２０を設ける。
この歪み検知装置においては、建物８１がゆがんでいない場合には、特異領域の電界は０［Ｖ／ｍ］であるが、建物８１がゆがんで電極１１〜１４の位置がわずかでも変化した場合には、検出電極２０により検出される電界は０［Ｖ／ｍ］以外に変化する。そこで、この電界の変化により、建物８１のゆがみを推測することができる。
この第６の実施形態によれば、新規な原理に基づく歪み検知装置を実現することができる。
【００７５】
次に、この発明の第７の実施形態による金属探知機について説明する。
図４５に示すように、この金属探知機においては、第１の実施形態と同様な４重極型の検出装置の導体板１９上に支持棒９１が取り付けられ、この支持棒９１の一端にハンドル９２が取り付けられている。
この金属探知機においては、検出電極２０の付近に導電率が異なる物体あるいは誘電率が異なる物体が近づいたときにこれらの物体を検出する。検出対象２１は、具体的には、例えば、地面表面近くに埋まっている金属、地面と電気的特性が異なる物質、壁に埋め込まれた金属などである。
【００７６】
この金属探知機の動作について説明する。
作業者がハンドル９２を手で握ってこの金属探知機を地面の表面に沿って水平に移動させる。このとき、一様な物体の上部では、電極１１〜１４に発生した電荷、言い換えると４重極が発生する電界は電極１１〜１４に対してバランスが取れており、ちょうど電極１１〜１４の中央位置の電界強度は０［Ｖ／ｍ］である。もし、電極１１〜１４の中心からずれた位置に金属あるいは電気的特性が異なる物体が存在すれば、電極１１〜１４の電荷により発生する電界のバランスが崩れ、中央位置の検出電極２０により０［Ｖ／ｍ］以外の電界を検出する。この電界の変化によって、金属探知を行うことができる。
検出電極２０による電界検出は、図２８ＡおよびＢに示すものと同様な図４６に示す検出系を用いて行うことができる。この場合、処理装置３４に伝えられた信号を表示装置９３に送ることにより検出状態表示を行うことができる。
この第７の実施形態によれば、新規な原理に基づく金属探知機を実現することができる。
【００７７】
次に、この発明の第８の実施形態による走査プローブ顕微鏡について説明する。
図４７に示すように、この走査プローブ顕微鏡においては、ステージ１０１上に載せた試料７１の表面に、第１の実施形態による検出装置をプローブとして近接させ、この状態でステージ１０１を水平面内で移動させる。この場合、検出装置の４個の電極１１〜１４の中心の特異領域の電界が試料７１の表面の凹凸により変化することを検出することにより、試料７１の表面の凹凸を検出することができる。検出装置の出力信号の処理は処理装置１０２により行う。ステージ１０１の移動は駆動電源１０３により行う。図４８にプローブとして用いる検出装置の構成の一例を示す。
この走査プローブ顕微鏡によれば、検出装置を試料の表面に接触させないため、試料に傷を付けることがないだけではなく、従来の原子間力顕微鏡のように機械的に動作するカンチレバーを用いないため、高速でしかも高精度に試料の表面の凹凸の探査を行うことができる。
この第８の実施形態によれば、新規な原理に基づく走査プローブ顕微鏡を実現することができる。
【００７８】
以上この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構成、配置、形状などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構成、配置、形状などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】この発明における４重極を示す略線図である。
【図２】この発明における４重極により発生する電界および電位の分布を示す略線図である。
【図３】この発明における４重極により発生する電界および電位の分布の一部を拡大して示す略線図である。
【図４】この発明における６重極および８重極を示す略線図である。
【図５】この発明における４重極、６重極および８重極の特異領域を通る線上の電界の分布を示す略線図である。
【図６】この発明における４重極、６重極および８重極の電荷間の距離による影響を説明するための略線図である。
【図７】図６Ａ、ＢおよびＣに示すｘ軸上の電界分布を示す略線図である。
【図８】この発明における立体構造の８重極を示す略線図である。
【図９】この発明における立体構造の８重極により発生する電界および電位の分布を示す略線図である。
【図１０】この発明における立体構造の８重極により発生する電界および電位の分布の一部を拡大して示す略線図である。
【図１１】この発明における切隅８面体の各頂点に電荷を配置した電荷配置を示す略線図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態による検出装置を示す斜視図および側面図である。
【図１３】この発明の第１の実施形態による検出装置の動作を説明するための側面図である。
【図１４】この発明の第１の実施形態による検出装置の動作を説明するための平面図である。
【図１５】この発明の第１の実施形態による検出装置に関して行った電磁シミュレーションで用いた定式化モデルを示す略線図である。
【図１６】この発明の第１の実施形態による検出装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図１７】図１６に示す結果に対応した検出対象の水平位置の変化を示す略線図である。
【図１８】この発明の第１の実施形態による検出装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図１９】この発明の第１の実施形態による検出装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図２０】図１９に示す結果に対応した検出対象の大きさの変化を示す略線図である。
【図２１】この発明の第１の実施形態による検出装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図２２】この発明の第１の実施形態による検出装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図２３】この発明の第１の実施形態による検出装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図２４】この発明の第１の実施形態による検出装置において電極の位置がずれたときの電界の分布の変化を示す略線図である。
【図２５】図２４ＡおよびＢに示すｘ軸上の電界の分布を示す略線図である。
【図２６】この発明の第１の実施形態による検出装置において電極の電荷が変化したときの電界の分布の変化を示す略線図である。
【図２７】図２６ＡおよびＢに示すｘ軸上の電界の分布を示す略線図である。
【図２８】この発明の第１の実施形態による検出装置において用いる検出系を説明するための略線図である。
【図２９】この発明の第２の実施形態による検出装置において用いる検出系を説明するための略線図である。
【図３０】この発明の第２の実施形態による検出装置において用いる検出系を説明するための略線図である。
【図３１】この発明の第３の実施形態による静脈センシング装置に関して行った電磁シミュレーションで用いた定式化モデルを示す略線図である。
【図３２】この発明の第３の実施形態による静脈センシング装置に関して行った電磁シミュレーションで用いた電極構造および数値ファントムを示す略線図である。
【図３３】この発明の第３の実施形態による静脈センシング装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図３４】この発明の第３の実施形態による静脈センシング装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図３５】この発明の第３の実施形態による静脈センシング装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図３６】この発明の第３の実施形態による静脈センシング装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図３７】この発明の第３の実施形態による静脈センシング装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図３８】この発明の第４の実施形態による静脈センシング装置を示す略線図である。
【図３９】この発明の第４の実施形態による静脈センシング装置において用いるマトリックスアレイ電極の一部を示す平面図である。
【図４０】この発明の第４の実施形態による静脈センシング装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図４１】この発明の第４の実施形態による静脈センシング装置に関して行った電磁シミュレーションの結果を示す略線図である。
【図４２】この発明の第４の実施形態による静脈センシング装置において用いるマトリックスアレイ電極の一部を示す平面図である。
【図４３】この発明の第５の実施形態による走査プローブ顕微鏡を示す略線図である。
【図４４】この発明の第６の実施形態による歪み検知装置を示す略線図である。
【図４５】この発明の第７の実施形態による金属探知機を示す略線図である。
【図４６】この発明の第７の実施形態による金属探知機において用いる検出系を説明するための略線図である。
【図４７】この発明の第８の実施形態による走査プローブ顕微鏡を示す略線図である。
【図４８】この発明の第８の実施例による走査プローブ顕微鏡においてプローブとして用いる検出装置を示す略線図である。
【図４９】特許文献２に開示された技術を説明するための略線図である。
【符号の説明】
【００８０】
１１〜１４、６１…電極、１５〜１８…信号源、１９…導体板、２０…検出電極、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ…電極、２１…検出対象、３１…差動アンプ、３２…同軸ケーブル、３３…アンプ、３４…処理装置、３７、３８、４２、４８…光ファイバ、３９、４３…電気光学結晶、４０、４４…ミラー、７１…試料、８１…建物、９３…表示装置
【図１】
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【図２】
2008212525.tif 000006
【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】
2008212525.tif 000011
【図８】
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【図９】
2008212525.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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