(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁誘導と時間とともに変化する磁界に基づいて導電性を有する対象物の幾何的寸法と電気的特性を非接触で測定する方法であって、少なくとも２つの送信コイルに実質的に一定の電流を供給して対象物（６）の内部に電磁界を透過させ、次に送信コイル（３）に供給されていた電流を突然遮断し、磁界が減衰する結果少なくとも１つの受信コイル（８）に発生する誘導電圧を測定し、電流の遮断に引き続く所定の時間だけ測定された電圧を積分し、さらに、
−電磁界が、前記幾何的寸法の測定方向と基本的に直交する方向に前記対象物（６）を貫通するように、少なくとも２つの送信コイルを、前記対象物のそれぞれのがわに１つ設けて対向する向きの磁界を発生させ、
−前記少なくとも１つの受信コイル（８）内の誘導電圧を、前記対象物（６）の外部の磁界が減衰した第１の時刻（Ｔ３）から測定して第１の信号（Ｓ）とし、−前記第１の信号（Ｓ）を対象物（６）の外部の磁界が減衰した第１の時刻（Ｔ３）から、対象物の内部の磁界が実質的にゼロまで減衰した時刻（Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６）まで積分し、
−当該積分値に基づいて、第１の信号（Ｓ）から対象物（６）の幾何的寸法と電気的特性を計算することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の信号（Ｓ）に比例する幾何的寸法の値を計算することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記対象物（６）の厚さまたは直径を、前記対象物（６）を貫通する磁界が減衰する時間にわたって第１の信号（Ｓ）を積分することで測定する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのコイル（８）に発生する誘導電圧を、対象物（６）の外部の磁界が減衰した第１の時刻（Ｔ３）から、第１の時刻（Ｔ３）の直後である第２の時刻（Ｔ３０）まで測定し、第２の信号（Ｓ６）として電気抵抗の値を計算する対象物（６）の電気抵抗測定過程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の信号（Ｓ６）を、対象物（６）の外部の磁界が減衰した第１の時刻（Ｔ３）から、第１の時刻（Ｔ３）の直後である第２の時刻（Ｔ３０）まで積分し、積分値を対象物（６）の電気抵抗の測定値とすることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記対象物（６）の電気抵抗に比例する前記第２の信号（Ｓ６）の積分値の２乗を計算することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
各コイルが発生した磁界が前記対象物（６）の実質的中心位置で出会い、対象物（６）を貫通する磁界の和の測定方向と直行する磁界成分となるように対向する磁界を発生させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
−前記少なくとも１つの受信コイル（８）内の誘導電圧を、対象物（６）の外部の磁界が減衰した第１の時刻（Ｔ３）から、第１の時刻（Ｔ３）の直後である時刻（Ｔ３０）まで測定し、
−修正された１次信号をＳ５ａkorr＝Ｓ５ａ＋ｃ２＊Ｓ６ａおよびＳ５ｂkorr＝Ｓ５ｂ＋ｃ２＊Ｓ６ｂによって計算し、ここで、Ｓ５ａkorrとＳ５ｂkorrは２つのコイルからの修正された信号であり、Ｓ５ａ、Ｓ５ｂ、Ｓ６ａ、Ｓ６ｂは４つの信号チャネルからの出力であり、Ｃ２は定数であり、この手段によって第１の時刻（３）以前の対象物内の磁界の減衰に起因する幾何的寸法測定の誤差を修正することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
−対象物（６）の外部の磁界が減衰した第１の時刻（Ｔ３）から、第１の時刻（Ｔ３）の直後である第２の時刻（Ｔ３０）までの信号の積分の一部を元の測定された第１の信号（Ｓ）に加える過程を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
−修正された第１の信号を、Ｓ５ａkorr＝Ｓ５ａ―Ｓ５ａ＊Ｆｕ（Ｓ６ａ／Ｓ５ａ）およびＳ５ｂkorr＝Ｓ５ｂ―Ｓ５ｂ＊Ｆu（Ｓ６ｂ／Ｓ５ｂ）を計算し、ここで、Ｓ５ａ、Ｓ５ｂ、Ｓ６ａ、Ｓ６ｂは４つの信号チャネルからの出力であり、Ｆｕは、第１の時刻（Ｔ３）から第２の時刻（Ｔ３０）までの間の積分と、第１の時刻（Ｔ３）から対象物内部の減衰が生じる第３の時刻（Ｔ４）までの間の積分との間の関係のみに依存する関数であって、対象物内部の磁界の減衰が長い時間にわたって生じるときに対象物内の磁界が減衰する第３の時刻（Ｔ４）を使用することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
−２組以上の受信コイル（８ａ、８ｂ、１３ａ、１３ｂ）を使用し、
−対象物（６）の幾何的寸法に対応してコイルの寸法を、２組以上の受信コイル（８ａ、８ｂ、１３ａ、１３ｂ）で受信した信号から厚さと直径のように２つ以上の幾何的寸法を計算することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
前記対象物（６）は金属または合金を含むことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記対象物（６）は非金属を含むことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記対象物（６）は異なる金属および／または合金の組み合わせを含むことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
さらに、
−送信コイル（３）から対象物（６）の表面までの距離に相当する第１の値を、供給電流を遮断した時刻（Ｔ２）から第１の時刻（Ｔ３）までの間の時間にわたる第１の信号（Ｓ）から計算し、
−第１の値と送信コイル（３ａ、３ｂ）の間の距離とから前記対象物（６）の幾何的寸法を計算することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項１６】
さらに、
−２つ以上の組の受信コイル（８ａ、８ｂ、１３ａ、１３ｂ）を設け、
−２組以上の受信コイル（８ａ、８ｂ、１３ａ、１３ｂ）が受信した信号から厚さと直径のような２つ以上の幾何的寸法を計算できるように、対象物（６）の幾何的寸法との関連においてコイルの寸法を選択することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
さらに、
−供給した電流を遮断した時刻（Ｔ２）から第１の時刻（Ｔ３）の間の第１の信号（Ｓ）から、送信コイル（３）から対象物（６）の表面までの距離に相当する第１の値を計算し、
−第１の値と送信コイル（３ａ、３ｂ）の間の距離から対象物（６）の前記幾何的寸法を計算することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
さらに、
−第１の時刻（Ｔ３）から第１の時刻（Ｔ３）の直後である第２の時刻（Ｔ３０）間での間の第２の信号（Ｓ６）の２乗を計算し、対象物（６）の電気抵抗に比例する値を得ることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記請求項１ないし１８のいずれかに記載の方法によって導電性を有する対象物（６）の幾何的寸法と電気的特性を非接触で測定する装置とシステムであって、対象物（６）を貫通する電磁界が基本的に幾何的寸法を測定する方向と直交するように対向する電磁界を発生させるように、少なくとも２つの送信コイル（３ａ、３ｂ）を対象物のそれぞれの側に１つずつ設けられた装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、導電性を有し、実質的に非磁性体である対象物の、厚さと直径のような直接的かつ最も基本的な寸法を電磁誘導に基づいて非接触で測定する方法に関するものである。本発明は、また、上述の測定に使用すると同時に、電気抵抗のような導電性対象物の電気的な特性を測定するために使用することができる。
【０００２】
本発明は、寸法を測定する必要があるプレート状、ストリップ状、棒状あるいはチューブ状の製品の製造過程で使用することができる。本発明にかかる方法はさらに、金属製品の高温製造過程において使用することができる。本発明はさらに、金属以外の材料を含む導電性対象物の寸法測定を、金属部分の特性の制御と、鋸で切断する際に木質部分に隠された金属部分のように目視することができない対象物の特定に使用することができる。本発明はさらに、上述の使用と同時に、寸法と電気的な特性を同時に測定しなければならない場合にも使用することができる。
【０００３】
背景技術
平らなプレートの厚さを非接触によって測定する方法としては、対象物に対して放射線又はＸ線を照射してその吸収を測定する方法がある。放射線等の吸収は、他のファクタにも依存するが同時に対象物の厚さに依存するので、厚さに関する第１の測定値が得られる。材料組成と対象物表面のコーティングの違いが放射線等の吸収に影響を与え、この種の装置の精度を低下させる。さらに、この種の装置で使用される放射線は、健康と安全のための対策を必要とする。
【０００４】
導電性を有するストリップ又はプレート状の対象物の厚さを、誘導電流によって測定することが知られている。１つ以上の送信コイルによって、導電性を有する対象物を貫通する磁界を時間と共に変化させて、誘導電流を発生させる。この電流が磁界を生じさせ、この磁界が１つ以上の受信コイルに電圧を生じさせ、誘導電圧がある程度の信号処理を経て厚さの測定に使用される。
【０００５】
この種の方法と装置は、多くの場合正弦波的に変化する磁界を用い、対象物によって生じた振幅と位相の変化を測定する。これらの変化はいずれも測定システムの少なくとも３つのパラメータ、つまり、対象物の位置、対象物の電気抵抗および対象物の厚さに影響され、従ってこの種のシステムは最も単純化された形態においても基本的な不確実性を有するものである。異なる周波数を導入することによってこの問題を解決しようとする試みがなされたが、これは、いわばさらに多くのパラメータを測定しようとするものであり、信号の解釈が非常に複雑になるために、必ずしも十分な測定精度は得られなかった。
【０００６】
上述の問題は、米国特許第５０５９９０２号に記載されているように、所定の時間にわたって送信コイルに一定の電流を流した後に、これを突然遮断することを特徴とする、時間と共に変化する磁界を使用することによって解決された。この方法を使用して受信コイル内の誘導電流を少なくとも３つの時間間隔、つまり、電流を遮断した直後と、この直後から測定対象物に磁界が貫通するために必要な時間が経過する間、および最後に電流が遮断されたずっと後であって測定対象物を磁界が貫通するために十分な時間が経過した後、にわたって測定する。これら少なくとも３つの測定値に基づいて、対象物の厚さを測定することができる。
【０００７】
上述の方法は多くの場合良好に機能することが示されているが、３つの測定値にはいずれもある程度の不確実さが含まれている。特に第３の測定値については、対象物が測定値に影響を与える速さに起因する不確実さがある。総合的には、常に高精度の厚さ測定が行われるわけではない。
【０００８】
米国特許第５０５９９０２号には、図１４に、プレートの両側に設けられた２つのコイルによってプレートの厚さを測定する方法が開示されている。この方法によれば、プレートの厚さは、コイルに供給していた電流を遮断した直後の所定時間にわたって、コイルからプレートの表面までの距離をそれぞれの側で測定することによって測定される。コイルからプレートの表面までの距離と２つのコイルの間の距離の差はプレートの厚さである。通常要求される精度に関してはこの方法はうまくいくが、精度要求が厳しい場合には、例えば温度の影響によるコイル相互間の距離のばらつきが測定精度を低下させる重大な問題になる。
米国特許第５４９８９５８号は、金属対象物が近傍に存在するか否かを決定する近接センサを開示するものである。要約書によれば、電流は第１の時間の間誘導体の中を流れ、第２の時間の間では電流の方向が逆転し、続く第３の時間の間、誘導電圧を参照値と比較して対象物の接近を検知する。しかし、当該文献には対象物の寸法や対象物のその他の特性を測定することについては記載されていない。
【０００９】
棒状の製品の製造過程において棒の寸法を測定する１つの方法が米国特許第６２３６１９８号および第６１８８２１７号に記載されている。この方法は、例えば、ホットローリングのような多くの製造工程で使用できることが示されているが、この場合においてさえも、この方法では、測定精度と安定性に関する要求が厳しいときには限界がある。これらの限界は、装置内でのコイルの設置位置の精度とその結果として得られる装置の動きに関する感度によって測定精度が決定されていることによるものである。
【００１０】
発明の要旨
本発明の目的は、対象物の位置や材料パラメータのような種々のパラメータによって影響をうけずに、導電性材料からなる対象物の直径や厚さのような物理的寸法を高精度に測定することができる電磁誘導による測定方法と装置を提供することである。上述のような方法に基づいて高精度の測定を実行するためには、測定値が対象物の寸法に直接的かつ単純に依存するものであることが必要である。さらに、水、オイルやコーティングのような、対象物の近くに存在する他のものからの影響をうけないように測定を行う必要がある。幾何的な寸法はあらかじめ定めた特定の方向に関するものである。つまり、平らなプレートの厚さは当該プレートの平面に対して直交する方向の幾何的な大きさであり、棒の直径とは当該棒の長軸に直交する方向の幾何的な寸法である。
【００１１】
本発明においては上述の目的は、適切な形状を有し、一定の電流を供給されて対象物内に届く磁界を発生させるコイル、つまり送信コイルによって達成される。本発明の重要な特徴は、磁界が、平均成分つまり磁界の合計が所望の測定方向とは直交する方向に向いていることである。磁界が安定するために十分な時間が経過した後、コイルに供給されている電流を遮断する。
【００１２】
米国特許第５０５９９０２号に記載されている方法と類似の方法で、電流の供給が遮断された後に測定を開始する。しかし、米国特許５０５９９０２号に記載された発明では電流の供給が遮断された直後に測定が開始されるのに対して、本発明では、対象物の外の磁界が減衰するまでの時間に基づいて測定開始時間を決定する。対象物の外部の磁界が減衰した後、測定シーケンスが開始され、測定領域内の領域、つまり対象物に起因する磁界が減衰する時間に渡って信号を積分する。対象物の磁界が減衰することによって生じた誘導電圧の積分である測定信号が、対象物の寸法を決定するための基礎となる。以下に詳述するように、対象物の外部の磁界が減衰した後の時間をさらに、それぞれ測定信号を受信するための２つの時間領域に分割し、それぞれが他のパラメータから独立に対象物の寸法を決定する基礎となるこの２つの時間領域の結果をあわせても良い。
【００１３】
所望の幾何的寸法がプレートの厚さである場合には、本発明によれば、望ましい形状の磁界は類似の形状をしたコイル、つまり送信コイルをプレートの両側にプレートから同じ距離を隔てて相互に磁界が対向するように位置させる。これらのコイルに実質的に一定の電流を供給すると、プレートの測定方向である、磁界の、プレートの平面と直交する方向の成分はゼロである。棒又はチューブの直径を測定する場合には、本発明によれば、所望の形状を有する磁界は、棒／チューブがコイルの中心に来るように棒／チューブの周囲にコイルを位置付ける。
【００１４】
電流を遮断する前にどれだけの時間にわたって電流を供給するかは、対象物の大きさと使用されている材料の電気抵抗に依存する。最小限の時間は、寸法の２乗に比例し、当該材料の電気抵抗の逆数に比例するので、例えば、厚さが２ｍｍのアルミプレートの場合には、５０μ秒のオーダーである。電流を遮断してから総合的な測定を開始するまでの時間は短ければ短い程よいが、同時に対象物の外部の磁界が減衰してしまうまでの時間以上でなければならない。この時間は基本的にコイル、送信コイル、つまりコイルとコイルを取り巻く導電性部材のインダクタンスによって決定される。通常はこの時間は１μ秒以下でなければならない。総合的な測定を継続すべき時間は当該領域における磁界の変化が実質的に終了するまでである。この時間は前述の電流供給時間の長さとほぼ同程度である。
【００１５】
通常は、磁界の変化は、適切な位置に設けた１つ以上のコイルに誘導される電圧によって測定する。当該コイルに誘導される電圧は、ｄＢ／ｄｔつまり時間当りの磁界の変化に比例することが知られており、この電圧をＴStartからＴStopまで積分することによって、下記の式で表す関係が得られる。
【数１】
0004563633.tif 000002
ここで、Ｋは比例定数、ＴStopにおいて磁界がゼロであればＢStop＝０である。このことは、積分値は電流を遮断する前に対象物の内部に存在していた磁界に比例しており、対象物の寸法の直接的な測定値にも比例していることを意味する。対象物が存在する領域において磁界が実質的に一定であれば、積分の値は対象物の大きさに比例する。本発明の方法は同時に測定値から直接的に与えられ、寸法以外のどの変数に対しても独立で正確な測定値を与えるという目的にもかなうものである。
【００１６】
磁界の変化を測定する測定コイルは、通常は送信コイルの近くに送信コイルと対称な位置に設けられるが、別な形状によって本発明を実施することもできる。測定コイルと送信コイルは、同一のコイルを測定の異なる時間に異なる機能のために使用するものであっても良い。さらに、上述の式による所定の測定結果が得られるように、適切な測定方法によって直接的に測定するものであっても良い。
【００１７】
本発明に基づく方法では、対象物が好ましい位置から動いたとしても大きな測定誤差を生じることは無い。動きが大きく、極めて正確な測定が必要な場合には、本発明の別の実施態様を使用することが望ましい。当該別の実施態様によれば、本発明による２つの受信コイルにおける変化の合計と同時に、対象物の位置測定に対応する２つの受信コイルの値の差を測定する。
【００１８】
電気抵抗が大きな材料からなる対象物の測定には別の好ましい実施態様を使用することができる。当該他の測定方法によれば、上述の測定つまりＴStartからＴStopまでの誘導電圧の測定に加えて、ＴStartからＴ１Stopまで電圧を積分するとともに、ＴStartからＴStopまでの追加的な電圧の積分を測定する。この部分は、対象物の外部の磁界が理想化されたほど早く減衰せず、そのために、外部磁界が減衰する間に対象物内部の磁界が外部に分散するが測定されないことを補償するためのものである。当該部分は後に演繹的に決定する一定の比率であってもよいし、上述の両方の測定値に依存する、より数学的に複雑な方法で決定された比率であってもよい。
【００１９】
本発明は、正確な寸法測定と同時に電気抵抗、および／または、透磁率のような電気的な特性の正確な測定が必要な場合に好適に使用することができる。測定は上述のように２つの誘導電圧を、ＴStartからＴStopまで、第２にＴStartからＴ１Stopまで積分することによって行われる。電気抵抗が比較的小さい場合には、寸法測定のために上記の補償を行うことは不要で、ＴStartからＴ１Stopまでの信号の積分用いて、積分値の２乗に比例する電気抵抗を計算することができる。
【００２０】
本発明を添付の図面を参照してより詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明に基づく、プレートの厚さとプレートを構成する材料の電気的な特性の測定を示す図面である。図には、プレート状の測定対象物６、送信コイル３ａ、３ｂが示されている。以降、’ａ’はプレートの一方の側を示し、’ｂ’はプレートの他方の側を示す。送信コイルは両方とも、制御回路１からの制御信号Ｓｃ１によって制御されたトランジスタ２を介して、第１の測定時間の間、電流供給源４から実質的に一定の電流を供給される。電流が供給されている時間の間、トランジスタは接続された送信コイル３ａ、３ｂに対して一定の電流を供給し、さらにＧｎｄ位置を接地させる。この電流供給時間の直後に、トランジスタの電流を停止することによって、送信コイル３ａ、３ｂに供給されていた電流が遮断される。送信コイル３ａ、３ｂを通る抵抗５ａ、５ｂは、電流遮断時の送信コイル３ａ、３ｂに存在する磁界を開放する機能を有し、この機能を、知られているように、コイルのインダクタンスを抵抗で割った値に相当する時間だけ継続する。
【００２２】
送信コイル３ａ、３ｂはプレート６からの距離が実質的に同一であり、大きさも同じである。図示した装置では、コイル３ａと３ｂは発生する磁界７ａと７ｂが互いに対向し、プレート６の中央における磁界の合計、平均成分はプレート６の面と直交する方向の成分を有しない。プレートの内部に含まれる磁界の全体の大きさ、つまり実質的な磁界の大きさはプレート６の厚さに依存する。
【００２３】
送信コイル３ａ、３ｂが発生する磁界の影響をうける領域である測定領域のプレート６に誘導される現象に起因して、受信コイル８ａ、８ｂに発生する誘導電圧によって測定領域の変化を検出するために、受信コイル８ａ、８ｂが設けられている。この受信コイル８ａ、８ｂは同じ大きさで、プレート６から等距離に置かれており、磁界の変化によって両コイル８ａ、８ｂに発生する誘導電圧が合計されるように結合されている。受信コイル８ａ、８ｂを通じて、開放抵抗９ａと９ｂが接続されており、送信コイル３ａ、３ｂと同じようにディスチャージ時間を決定する。受信コイル８ａ、８ｂに印可される誘導電圧はアンプ１０で増幅され、当該アンプから時間と共に変化する信号Ｓ２が出力されて、当該出力は制御回路１からの制御信号Ｓｃ２によって制御される時間にわたって、積分器１１によって積分される。積分Ｓ３が完了した信号は、「サンプル−アンド−ホールド」回路１２に送られて、当該回路によって信号の積分値が保持される。この回路によって得られた信号の値Ｓ４は、時間の経過に対して安定しており、プレート６の厚さの１次測定値として使用される。
【００２４】
図２は、図に示した本発明の例に従って、図１に示した装置の時間的制御と信号を、電圧信号を時間の関数として示したものである。図２で最も上方の信号は、送信コイル３ａ、３ｂの電圧Ｓ１の時間変化である。トランジスタ２への制御信号Ｓｃ１は、時刻Ｔ１からＴ２まで高く、従って、その時間の間は送信コイル３ａ、３ｂを電流が流れるようにトランジスタを制御する。送信コイル３ａ、３ｂの両端間の電圧Ｓ１は、上述の時間の間は高い。時刻Ｔ２からＴ６までは、制御信号Ｓｃ１が低く、トランジスタ２は遮断されており、送信コイル３ａ、３ｂを電流が流れず、送信コイル３ａ、３ｂの両端の電圧Ｓ１は０である。時刻Ｔ６の後、この手順が繰り返される。時刻Ｔ１からＴ２までの間、磁界７ａ、７ｂが発生し、一定の強度を維持する。時刻Ｔ２には、送信コイル３ａ、３ｂへの電流供給が遮断され、磁界は急激に変化する。受信コイル８ａの両端に発生する誘導電圧の大きさは、コイルを通じた磁界の変化に比例し、あるいは以下の式で表される。
【数２】
0004563633.tif 000003
ここで、Ｂはコイルを貫通する時間と共に変化する磁界であり、ｔは時間、Ｋｃはコイルの大きさと形状と巻き線数と、アンプ１０が設けられていれば増幅率に依存する定数である。したがって、Ｋは一定の変数にのみ依存し、測定対象であるプレート６内部の変化には依存しない。
【００２５】
米国特許第５０５９９０２号との関連で既に述べたように、コイルに供給されていた電流を突然遮断することによって導電性対象物の近傍に生じる現象は、２つの概念的な磁界の減衰、つまり、対象物の外部の磁界の第１の減衰と、対象物の内部磁界の第２の減衰によって表現することができる。従って、測定コイルによって観測された信号の変化に基づいてこれらの領域における減衰を区別できる可能性があることは、上から２番目のグラフに示された信号Ｓ２の時間変化から明らかである。時刻Ｔ２とＴ３の間、対象物の外側では急激な減衰が生じ、その間、電圧は大きく変化する。
【００２６】
前記の時間間隔はコイルに磁界を生じさせていた電流を遮断したときＴ２に開始し、基本的には送信コイルであるコイル内部の電解がＴ３で減衰してしまったときに終了する。既知の表現に従えば、減衰は以下の式によって表現される。
【数３】
0004563633.tif 000004
ここで、変数の定義は以下の通りである。
Ｉは、コイルを流れる時刻毎の電流、
Ｉ０は、電流が遮断される前にコイルを流れる電流、
Ｌは、コイルのインダクタンス、
Ｒは、コイルのディスチャージ抵抗（５）、
ｔは、電流が遮断された後の経過時間である。
【００２７】
ＩがＩ０の１％のオーダー以下であれば、磁界は減衰したということができる。これは、上述の表現に基づく受信コイルに基づく減衰時間が、送信コイルの減衰時間と凡そ等しいかより大きい場合に成立するが、必ずしも必須の条件ではない。
【００２８】
良好な測定のためには、Ｔ２とＴ３の間のできるだけ短時間に大きな変化が減衰しなければならないが、これは図１に示す抵抗５ａ、５ｂ、８ａと８ｂに影響を受ける可能性がある。これらの抵抗の値が大きければ、信号Ｓ２の減衰は急速になる。通常は、この減衰に必要な時間を１μ秒より短くする努力を払う必要があり、このことは、直径５０ｍｍで１０回の巻き数を有する典型的なコイルの場合には、抵抗値は１００Ωから１０００Ω程度であることを意味する。
【００２９】
急速に減衰する対象物の外部磁界からの第１の信号が減衰してしまった後、対象物の材料領域の減衰がゆっくりと進行する。この部分の変化は遅いので、時刻Ｔ３とＴ４の間に、受信コイル８ａ、８ｂに発生する誘導電圧は小さく、このことは信号Ｓ２を示すグラフに明瞭に示されている。時刻Ｔ４では、変化は完全に終了し、信号Ｓ２は０である。
【００３０】
信号Ｓ３の電圧を時間の関数として示したグラフにおいて、図１に示す積分回路１１で積分された後の信号、図２における上から３番目のグラフは、積分後の信号を示すものである。積分器１１は制御信号Ｓｃ２の助けを得て時刻Ｔ３まではゼロに維持され、その後に信号Ｓ２の積分を開始する。時刻Ｔ４において、Ｓ２の変化は終了し、そのためにＳ３は一定値を示す。それまでに得られた測定値はプレート６内部の磁界の強さの直接的な測定であり、その意味においてプレート６の直接的な測定である。続く時刻Ｔ４における積分の値が、制御信号Ｓｃ３によって制御される、従来の「サンプル−アンド−ホールド」回路１２によって取り出される。信号Ｓ４は、プレートの厚さに直接比例する出力信号である。
【００３１】
図１と２に示す実施例は本発明にかかる方法を図示するものではあるが本発明はこれらに限定されるわけではない。送信コイルと受信コイルは、送信コイルによって提供される磁界がプレートの中央部で出会い、プレートを通るフィールドの向きの磁界の合計つまり測定面での磁界の合計がプレートの内部でゼロになる条件を満たしさえすれば、どのような配置であっても良い。通常は、このことは、磁界がプレートの中央で出会い、プレートの平面に直交する方向の磁界はゼロであることを意味する。受信コイルは実質的に等しくプレート内部の磁界の変化を検出するように位置付けられる。受信コイルと送信コイルは同一のコイルであってもよく、特に必要であれば受信コイルを３つ以上使用しても良い。
【００３２】
受信コイルは、積分器において信号を積分せずに時刻毎の信号を読み出す形式の、直接磁界を測定する装置で置き換えてもよい。
【００３３】
制御回路１はプログラムされたコンピュータ、組み込み又はプログラムされた論理回路、あるいは別の既知の方法で組み込まれた制御回路であっても良い。電流を遮断する回路は図１にはトランジスタ２として示されているが、コイルへの電流の供給を突然遮断することができさえすればどのような形式の電気回路であっても良い。受信側の回路は、所定の２つの時間内において受信コイルに発生する誘導電圧の積分値を得ることができれば形式は限定されない。
【００３４】
上述の実施例では、送信コイル３ａ、３ｂによって所定の方向に電流が供給された。この方向がどちらを向いているかは実質的には本発明においては意味が無く、時刻Ｔ１とＴ２の間は電流が一定の向きに流れ、次に、時刻Ｔ６の後に実施されるシーケンスでは電流が逆方向に流れることが有利である場合もある。この場合の受信チャネルは、信号の極性を交互に反転させて、第１の信号に関する時間変化が一定の値を生じさせるように構成されていなければならない。
【００３５】
図３は本発明の別の実施例を示すものである。図示した実施例は図１に示した実施例と同一の測定上の問題を解決するためのものであるが、この実施例は、測定領域におけるプレートの位置が変化して、しかも、プレートの電気抵抗が大きいときに使用することができる点において前述の実施例と異なっている。本実施例は、プレートの厚さが非常に大きく、そのために時間と共に変化する信号がプレートの一方の側から他方の側に伝達できないときにも使用することができる。本実施例は、プレートの厚さとプレートを構成する材料の電気抵抗を同時に測定するためにも使用可能である。
【００３６】
図３に示した実施例では、プレート６の両側に設けられた送信コイル３ａ、３ｂにはそれぞれ、同時に制御されるトランジスタ２ａ、２ｂが接続されている。トランジスタ２ａ、２ｂは制御ユニット１からの同じ制御信号Ｓｃ１によって制御されるが、それぞれ独立した電流供給源４ａ、４ｂから一定の電流を供給される。この実施例の場合には、制御信号Ｓｃ１とそれに続く信号は図１に示した時間的なシーケンスと基本的に同じシーケンスを有するが、信号はそれぞれアンプ１０ａと１０ｂから始まる別々の信号チャネルによって処理される。しかし、図示した実施例ではこれは異なる入力を有する１つの増幅器であっても良い。これらのアンプ１０ａ、１０ｂから出力された信号は、基本的に図１に示したチャネル１１と１２と同様に、制御信号Ｓｃ２とＳｃ３によって、厚さの測定のために構成されて制御された、第１の部分チャネル１１ａ、１２ａ、と１１ｂ、１２ｂによってそれぞれ処理され、同時に別の部分チャネルが図４に時間の関数として示した電圧のグラフによって示されているように、時刻Ｔ３から開始して時刻Ｔ３０で終了する、全体として時刻Ｔ３からＴ４までの時間の間積分された信号の値を測定するように構成されている。制御ユニット１からの制御信号Ｓｃ４はこれらの積分器１３ａと１３ｂをそれぞれ制御して、図２に示した時刻Ｔ３までは積分器の値がゼロであり、それから時刻Ｔ３０までは積分を行い、その後は積分値を一定に保持する。時刻Ｔ５では、積分器がゼロに設定される。上述の積分の結果は、「サンプル−アンド−ホールド」回路１４ａ、１４ｂによって保持される。
【００３７】
４つの信号チャネルＳ５ａ、Ｓ５ｂ、Ｓ６ａとＳ６ｂからの結果は共通の演算回路１５に送られる。この演算回路１５では結果であるＳ５ａとＳ５ｂを加算して、図１に示したのと同様の方法で、プレート６の厚さに関する１次測定とする。これらの信号の差Ｓ５ａ−Ｓ５ｂをさらに計算して、測定領域におけるプレート６の位置測定とする。当該測定結果の一部はプレートの位置測定に使用し、一部はプレートの位置の偏差に依存する誤差に起因するプレートの厚さの１次測定の誤差を修正するために使用する。最も単純な場合には、この誤差修正は、信号の差Ｓ５ａ−Ｓ５ｂの２乗を信号Ｓ５ａ＋Ｓ５ｂから以下のように引き算することで１次測定値を得る。
【数４】
0004563633.tif 000005
ここで、Ｃ１は異なる厚さのプレートに関するテストを通じて測定又は計算された定数である。この方法は、２つの受信コイルを有する実施例において、プレートの位置の偏差に起因する誤差を測定するために使用することもできる。
【００３８】
プレートの電気抵抗が大きい場合や対象物の外部での減衰時間を短縮することが実際には困難で、図２におけるＴ２からＴ３までの時間が比較的長くなる場合には、対象物の部分の信号の減衰がＴ３よりも早く開始されていることに起因する１次厚さ信号の誤差を修正するために信号Ｓ６ａとＳ６ｂを使用することができる。信号Ｓ６ａとＳ６ｂはそれぞれ時刻Ｔ３とさらにそれより前の時刻における減衰とみなすことができ、従って、上記の誤差を計算するために使用することができる。最も単純な場合、下記の理由により、図４において、Ｔ３よりも前に存在する減衰はＴ３の直後に存在して、時刻Ｔ３とＴ３０の間に測定された減衰に比例している。
【数５】
0004563633.tif 000006
ここで、Ｃ２は電気抵抗が既知のプレートに関する測定又は計算から決定される定数である。
【００３９】
プレートの厚さが非常に大きい場合には、Ｔ３からＴ４までの時間を、対象物からの磁界が完全に減衰するように十分長く取って、対象物からの磁界が完全に減衰して信号Ｓ２が変化しなくなるまで待つことが困難になる場合がある。時間の間隔が長くなると、測定時間が長くなり、測定を十分な回数繰り返すことができなくなる。この結果測定に入り込む外乱やノイズが大きくなる結果を生じる。このような場合には、Ｔ４を対象物からの磁界が完全に減衰するよりも前の時間にして、以下のように修正することができる。
【数６】
0004563633.tif 000007
ここで、関数ＦｕはＴ３からＴ３０の間の積分とＴ３からＴ４までの間の積分の関係のみに依存する値の明瞭な修正関数である。この関数は厚さと電気抵抗が既知であるプレートに関する測定を通じて決定することができる。あるいは、当該関数は、電流が遮断される前の磁界の強度はプレート内で一定であり、この状態で磁界が突然に遮断されたとの前提のもとで、既知の基本微分方程式を解くことによって数学的に決定することができる。
【００４０】
Ｔ３からＴ３０までの積分値から、電気抵抗の値を測定することも可能である。その結果に基づいて厚さと電気抵抗の測定値が同時に得られる。最も単純な場合には、Ｔ３からＴ３０までの積分値の２乗を、対象物を構成する材料の電気抵抗の１次測定値として用いることができる。
【００４１】
図５には、棒、チューブ又はワイヤの寸法を測定するための、本発明に基づく装置を示す。この場合、対象物６は円筒形状の棒材であって、直径が測定項目であり、送信コイル３が対象物を回転対象形状に包囲している。図１に示した装置とは異なり、この実施例の最も単純化された形状では、１つの送信コイル３のみを用いて測定を行う。図に示した送信コイルの形状により、測定方向の磁界の成分は対象物にわたって０であるとの条件が満足されている。同様に、この場合の測定も受信コイル８によって行われる。一般的に、測定は図１に示したものと同じ方法で行われる。同様に、磁界の変化の積分は、電流が供給されていた期間に対象物に蓄積された磁界の測定値であり、信号Ｓ３と「サンプル−アンド−ホールド」回路１２からの出力信号Ｓ４が棒６またはその直径の直接的な測定値である。
【００４２】
図６は、本発明に基づく、全ての方向の長さが限られた対象物の寸法測定を示すものである。対象物６はたとえばワッシャ、コイン又はこれらに類似のものであり、１つ以上の方向について寸法を測定することが必要とされており、図に示した例の場合には厚さと直径を測定することが目的である。図に示した装置は、図１に示した装置と同様に、対象物に対して設置され電流を供給される２つの送信コイル３ａと３ｂを有する。対象物６に関して、送信コイル３ａ、３ｂと対称に、図１に示したのと同様に、アンプ１０の信号チャネル、積分器１１とサンプル−アンド−ホールド回路１２に接続されて測定信号Ｓ５を発生させる２つの受信コイル８ａと８ｂが設けられている。さらに、２つの受信コイル１３ａと１３ｂが設けられて、信号チャネルは前述の信号チャネルと同様に制御されたアンプ１５、積分器１６およびサンプル−アンド−ホールド回路１７に接続されて、測定信号Ｓ６を発生させる。受信コイル８ａ、８ｂの組と１３ａ、１３ｂの組は大きさが異なり、小さいほうの受信コイルの組８ａ、８ｂは典型的な場合には対象物６よりも幾分小さく、大きいほうの受信コイルの組１３ａ、１３ｂは典型的な場合には対象物６よりも幾分大きい。測定信号Ｓ５とＳ６は共に、例えばマイクロコンピュータである演算ユニット１８によって処理されて、厚さと直径の大きさが得られる。この測定は基本的に厚さと直径の両方に依存するが厚さのほうにより強く依存する測定信号Ｓ５と、厚さと直径の両方に依存するが直径のほうにより強く依存する測定信号Ｓ６を使用して行われる。このように、厚さと直径が異なる対象物について測定又は演算を行った後、測定信号Ｓ５とＳ６の値から厚さと直径を計算するための計算方法を定式化して演算ユニット１８で使用することができる。
【００４３】
図６に示す装置はいかなる意味においても図面に関連して記述した実施例に限定されるものではなく、２つ以上の寸法を測定することが必要な場合の本発明に基づく対象物の寸法測定方法は複数のコイルと複数の測定チャネルを組み合わせて複数の寸法を得ることができることは容易に理解されるはずである。
【００４４】
上述の発明は比較的大きくない対象物の測定を行うのが基本的な用途である。非常に厚さの大きいプレートや直径の大きな棒材のような大きな対象物の場合には、磁界の変化が終了するまでの時間、図２ではＴ４で示した時間は、実際の取り扱いには長すぎる。これらの場合に時間が長いことは、測定を十分な回数だけ繰り返すことができず、そのために、測定に含まれるノイズレベルが増大して測定精度を低下させることになる。この場合には大きな対象物とは電気抵抗の大きさにも依存するものである。例えば、厚さが１０ｍｍのオーダーのアルミのプレートは厚いと考えることができる。通常のプレートと厚いプレート、あるいは同様な棒について測定を行う場合、通常の厚さのプレートに関して記載した実施例と米国特許第５０５９９０２号に記載したコイルとプレート表面間の距離を測定する方法を用いて、十分に機能する測定装置を製作することができる。本発明の別の実施例では、同様の装置を最も簡単には図１に示した積分器Ｓｃ２またはそれに対応する別の図面の積分器を変更して、図２に示す時間的な間隔Ｔ２からＴ３あるいは他の図面でこれに対応する時間を含むようにすることで実現することができる。本発明のさらに別の実施例では、厚さの大きい対象物は同時に米国特許第５０５９９０２号に記載した方法と組み合わせて測定された対象物を構成する材料の電気抵抗を測定する。同様に、さらに別の実施例では、１つの方向に関して寸法の大きな対象物の寸法を、２つ以上のコイル（８ａ、８ｂ、１３ａ、１３ｂ）を選択し、例えば厚さと直径のような同時に測定すべき対象物の異なる寸法との関係においてそれぞれのコイルの組の寸法と位置を決定することによって行うことができる。
【００４５】
本発明に基づいて、導電性対象物６の厚さのような寸法と電気的な特性を測定することもまた特許請求の範囲に含まれ、この種の導電性を有する対象物６は銅、アルミおよび真ちゅう等のような金属やその合金のような金属に限定されず、非金属、誘導磁界に対して応答することのできるあらゆる種類の材料および組み合わせ材料を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく測定装置の概要を示す概念図である。
【図２】 本発明に基づいて測定を行う時間間隔を示す、信号と時間の関係を示す概念図である。
【図３】 電気的特性を測定するための本発明による実施例である。
【図４】 本発明に基づいて電気的特性を測定するための、信号と時間の関係を示す別のグラフである。
【図５】 本発明に基づき棒の寸法を測定する実施例である。
【図６】 本発明に基づいて対象物の２つの寸法を同時に測定する実施例を示す図である。
【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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