(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極マッチングフィルタであって、
第１の材料であるポリマーから形成されたフィルタハウジング（１４）と、
前記フィルタハウジング内に封入され、電気エネルギーを蓄積するために、外部の電場により分極される誘電材料である特性複製マッチング材料（１２）と、
前記フィルタハウジング内に封入され且つ前記特性複製マッチング材料の両側に配置された、実質的に平行な１組のプレート（１６）であって、前記第１材料と異なる第２の材料であるポリマーから形成されているプレート（１６）とを含む分極マッチングフィルタ。
【請求項２】
さらに、１組の接地リード線（２０）であって、それぞれが前記プレートに連結され且つ前記フィルタハウジングの外部に延びる接地リード線（２０）を含む請求項１に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項３】
前記第１材料がポリウレタンである請求項１に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項４】
前記第２材料がアクリロニトリル−ブタジエン−スチレンである請求項３に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項５】
前記特性複製マッチング材料が、人間のナノ構造ケラチン蛋白質ポリマー、動物のナノ構造ケラチン蛋白質ポリマーまたはポリマーブレンドを含む請求項１に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項６】
前記第２材料が、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンである請求項１に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項７】
分極マッチングフィルタであって、
第１の材料であるポリマーから形成されたフィルタハウジング（１４）と、
前記フィルタハウジング内に封入され、電気エネルギーを蓄積するために、外部の電場により分極される金属材料である特性複製マッチング材料（１２）と、
前記フィルタハウジング内に封入され且つ前記特性複製マッチング材料の両側に配置された、実質的に平行な１組のプレート（１６）であって、前記第１材料と異なる第２の材料である金属から形成されているプレート（１６）とを含む分極マッチングフィルタ。
【請求項８】
前記第１材料がポリウレタンである請求項７に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項９】
前記第２材料が、銅、真鍮、アルミニウムおよびスチールのうちの１つである請求項８に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項１０】
前記特性複製マッチング材料が、金、銀、プラチナ、パラジウムまたは鉄である請求項７に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項１１】
前記特性複製マッチング材料が、検知されるべき対象物の誘電分極特性に従って選択される請求項１に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項１２】
前記特性複製マッチング材料が、人間のナノ構造ケラチン蛋白質ポリマーまたは動物のナノ構造ケラチン蛋白質ポリマーである請求項１１に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項１３】
分極マッチングフィルタであって、
電気エネルギーを蓄積するために、外部の電場により分極される誘電特性複製マッチング材料から形成されたフィルタハウジング（３２）であって、その内部に、１組の出口（３８）を有するキャビティ（３４）を画成するフィルタハウジングと、
前記誘電特性複製マッチング材料と異なる、前記キャビティ内に配置された誘電材料（３６）と、
外部の電子回路連結器および接地端子と前記分極マッチングフィルタとを連結するために、前記出口内に配置された１組の導電性のインサート（４０）であって、それぞれが前記フィルタハウジングの外部に延びる導電性インサートとを含む分極マッチングフィルタ。
【請求項１４】
前記キャビティ内に配置された前記誘電材料が空気である請求項１３に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項１５】
検知されるべき目標物の分極パターンと逆の分極パターンを発生するように構成された材料の組成物を含み、前記材料の組成物が、ポリウレタン内に封入されて配置されたアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）を含む分極マッチングフィルタ。
【請求項１６】
前記材料の組成物が、さらに、少なくとも１つの誘電材料を含む請求項１５に記載の分極マッチングフィルタ。
【請求項１７】
前記材料の組成物が、さらに、前記ポリウレタン内に封入されかつ前記ＡＢＳに取り囲まれた誘電特性複製マッチング材料を含む請求項１５に記載の分極マッチングフィルタ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、誘電運動（誘電泳動）、誘電緩和力学、電子装置および電子システムの分野に関し、さらに詳細には、分極マッチングフィルターであって、蓄積された電気エネルギーの、力または補充エネルギー密度を検知することにより行われる、有機材料および無機材料からなる特定の対象物の検知における誘電運動応答を開始させかつ最大化するための分極マッチングフィルタに関する。
特定の対象物、すなわち、人間、プラスチック（種々のポリマーと添加剤との混合物）および他の有機／無機材料の存在または不在を、視界を遮って介在する構造物またはＥＭＩ信号の有無に拘わらずに検知することは、多種多様の用途を有する。それらの用途は、例えば、（ａ）消火活動および救助作業；（ｂ）国境警備；（ｃ）乗員が乗り込む前の飛行機、列車および自動車における輸送警備、（ｄ）新旧の建設産業；（ｅ）法律の執行；（ｆ）軍事作戦；（ｇ）万引き防止対策；（ｈ）その他の警備ならびに緊急の要求および企画などである。
人間、動物および他の生命体が、外部電場およびその勾配を発生していることが知られている。例えば、人間生理学において、中枢および末梢の神経系ニューロン、感覚器官系細胞、骨格筋系、心臓の導電細胞および心筋系細胞は、全て、天然に誘電分極状態にあるそれぞれの細胞膜の内外で生じる減極および再分極化現象によって働いている。
Ｎａ+1、Ｋ+1イオンなどを用いる、膜通過性のイオン電流および電位は、全て、高い分極状態として特徴付けられることができる細胞膜を横断する静止電位を確立するように働く。無髄細胞軸索の内部および周囲のイオン濃度（モル／ｃｍ3）が、静止電位を確立する。流体自体は中性である。イオンを膜上で保持するものは、イオンが膜を通して互いに引き合う力である。このプロセスとは別に、Ｃｌ-1イオンは、細胞膜外のＣｌ-1イオンの濃度がより高いため、細胞内に拡散する傾向を有する。Ｋ+1およびＣｌ-1の両方の拡散は、細胞の内部を負に帯電させ、細胞の外部を正に帯電させる傾向を有する。電荷が膜面上に蓄積するにしたがい、さらなるイオンが拡散することが徐々に難しくなる。外側に移動しようとするＫ+1イオンは、既に存在する陽電荷によって反撥される。濃度による拡散の傾向が、膜の内外の電位差により均衡を保たれているときに、平衡状態に到達する。濃度の差が大きくなるに従い、膜の内外の電位差が大きくなる。静止電位は、下記ネルンストの式によって計算されることができる。
電位（Ｖ）＝Ｖ内側−Ｖ外側
ここで、電圧（電位）＝２．３０・ｋＴ／ｚｅ・ｌｏｇ・Ｃｏ／Ｃｉであり、式中、ＣｏおよびＣｉは、膜の内側および外側のイオン濃度であり、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度であり、ｅは電子の電荷であり、ｚはイオンの原子価（電子の電荷数）である。
神経および伝導インパルス、ならびに、感覚器官、心臓、および筋肉の活動電位と、それに続いて起こる応答とが、連続的な周期的パルス（波）によって現われ、それらの電位および応答は、第１の敏捷な減極を生じさせ、その後まもなく、静止状態、すなわち、膜の初期の分極状態を再び確立するための迅速な再分極をもたらす。膜透過性イオン電流は、細胞膜に沿って移動する双極子帯電を生じさせる。刺激が大きいほど、多くのパルスが膜に沿って生じる。
活動電位は種々の膜の内側と外側のそれぞれのイオン濃度の比率に関連する。得られた分極電場の分布パターンは、空間的な不均一さが高く、かつ、結合双極子電荷分布パターンにより特徴づけられることができる。人間が発生する電場についての詳細な議論は、Ｒ．Ａ．ロード（R.A.Rhodes）による「人間生理学」（”Human Physiology”，Harcourt Brace Javanocich、１９９２年）と、Ｄ．Ｃ．ギアノコリ（D.C.Gianocoli）による「物理学の原理とその応用」（”Physics Principles with Applications”，Prentice Hall、１９８０年）に見ることができる。これらの教示を援用して本文の記載の一部とする。
あるいは、外部電場およびその勾配は、外部発信源から、無生物の目標物、例えば、プラスチック、金属、水などにより静電帯電を介して供給されることができる。
対象物の基部上で、生物によって自然に発生されるか、または外部発信源から誘起される外部電場およびその勾配を検知することができることは有利であろう。さらに、この検知を、長距離を隔てかつ障害物を介在した状態で可能にすることが有利であろう。かかる検知が、誘電泳動の原理に関連した本発明に従う分極マッチングフィルタを用いて可能であることを発見した。
誘電泳動とは、初期には中性であるが空間的に不均一の外部電場による誘起によって誘電分極荷電される物体に加わる力およびその物体の力学的挙動を示す。電場の、空間的な不均一さの厳密度は、電場の空間的勾配（空間的な変化率）によって測定される。誘電泳動効果の基本的な動作原理は、点および空間にて発生する空気中の力（トルク）が、電場（電位）の符号（＋または−）および時間変化（直流または交流）ならびに周囲の媒質の誘電特性に関係なく、常に同一の方向、主に、局所電場の最大勾配（不均一）の方向を向く（または向かおうとする）ことである。
誘電泳動力の大きさは、周囲の媒質の誘電分極性と、初期には中性であった物体の誘電分極性とに明白に非線形の依存性を示し、中性の物体の形状寸法に非線形の依存性を示す。この依存性は、固体物理学における分極性の研究においてよく知られているクラウジウス−モソッティ関数によるものである。誘電泳動力は、目標物により生成された局所電場に非線形依存する。誘電泳動力は、検知器が配置された空間および時間における１つの点における、目標物の局所電場の分布の平方（二乗）の空間勾配に依存する。局所電場の二乗の空間勾配は、検知器上で誘起された分極電荷により生じた誘電泳動力として測定される。このような一定の方向探査力は、その大きさが、（目標物からの一定の半径方向距離での）角度位置の関数および（一定の角度位置での）半径方向位置の関数、ならびに、「有効」な媒質の分極性の関数として高度に変動可能である。力の検知信号は、目標物の局所的電場の平方の空間勾配の独特のパターンであり、検知器は、常に、勾配パターンの局所最大値の方向を示す（示そうとする）。全ての実験結果および誘電泳動の方程式は、電磁気の基本法則（マクスウェルの式）と一致する。
５つの知られた誘電分極のモードがある。これらは、以下のモードを含む。すなわち、原子核周辺の電子の分布が、与えられた外部電場のためにわずかに変形された電子分極と；初期に中性の物体内の原子の分布が、与えられた外部電場のためにわずかに変形された原子分極と；非常に特殊なポリマーなどにおいて、高度に非局在化された電子またはプロトンの分布が、与えられた外部電場のために、幾つかの分子繰り返し単位にわたって高度に変形された遊動分極と；永久的な双極子（Ｈ2Ｏ、ＮＯ、ＨＦ）と、物質内の分子に柔軟に吊り下げられた配向可能なペンダント極性基（−ＯＨ、−Ｃｌ、−ＣＮ、ＮＯ2）とが、特徴的な時定数を有する外部電場に向かって回転可能に整列された（双極性および配向性の）回転分極と；一様でない誘電界面が、電荷担体を、異なる小さい導電率によって蓄積する界面分極（空間電荷分極）とである。界面分極により、得られた空間電荷が蓄積されて、界面の電荷を中性化し、特徴的な時定数を有する外部電場を変形させる。
誘電分極の初めの３つのモード、すなわち、電子分極、原子分極および遊動分極は、分子距離のレベルであり、外部電場が与えられると同時に「即時に」生じ、非常に高い（赤外線または光学的）周波数における物質の誘電定数に寄与する。誘電分極の残りの２つのモードは、回転性と界面性であり、分子距離及び巨視的距離レベルであり、特徴的な時定数で動的に現れて、高周波の誘電応答定数を、ゼロ周波数での誘電定数に変化させる（通常は増大させる）。これらの特徴的な物質時定数が、物質の誘電的および力学的応答を制御する。
誘電定数の経時変化に寄与する分極モードおよびその動力学が、種々の刊行物において論じられている。それらの刊行物は、Ｈ．Ａ．ポール（H.A.Pohl）による「誘電泳動」（”Dielectrophoresis”，Cambridge University Press、１９７８年）；Ｒ．シラー（R.Schiler）による「誘電媒体における電子」（”Electrons in Dielectric Media”，Ｃ．フェラディニ、Ｊ．ゲリン（C.Ferradini,J,Gerin）編，CRC Press、１９９１年、および、Ｒ．シラー（R.Schiler）による「巨視的摩擦および誘電緩和」（電気的絶縁に関する電子電気技術者協会会報、２４，１９９（１９８９年）（Macroscopic Friction and Dielectric Relazation，IEEE Transactions）である。これらのよく知られた教示を援用して本文の記載の一部とする。
発明の概要
本発明は、分極マッチングフィルタに関する。このフィルタは、初期に中性である材料を用いた物体の構成部品から形成されている。初期に中性の物質は、誘電運動（誘電泳動）によって検知される対象物の誘電的に正確な複製になるように選択されている。フィルターは、誘電運動（誘電泳動）法を用いて、力学的トルクとエネルギー補充モードの両方を生じさせかつ最大化して対象物を検知することにおける本質的な要素である。
フィルタ作用は、目標物として検知される現実的に無制限の範囲の物質に適用される。検知材料は、例えば、人間の検知のための、人間のナノ構造ケラチン蛋白質ポリマーと、動物の検知のための、動物のナノ構造ケラチン蛋白質ポリマーと、プラスチックなどの検出のための、特定のプラスチック（ポリマーと添加剤の混合物）等を含む。誘電複製材料は、分極フィルターを含み、このフィルターは、目標物と、目標物の位置を知るための探知装置との間の空間誘電特性のマッチングを機能的に行う。フィルターは、探知装置を、誘電運動（誘電泳動）現象を用いて作動させて、分極フィルターの構成部品の誘電応答信号に合致する対象物のみを特に検知することを可能にする。誘電信号は、誘電定数および誘電損失周波数スペクトル、ならびに、分極の進展／機構を外部電場中で制御する全ての特徴的な時定数を含む。
誘電運動性の対象物の位置を検知する装置を作動させるための２つの主要な要素がある。第１の要素は、外部電場およびその空間勾配であり、第２の要素は、本発明の誘電分極マッチングフィルタである。先に述べたように、外部電場およびその勾配は、例えば生物が検知されるべき目標物である場合においてそうであるように、目標物自体によって提供されることができる。あるいは、外部電場およびその勾配は、例えば無生物が検知されるべき目標物である場合においてそうであるように、静電帯電によって外部発信源から供給されることができる。
本発明において具体化された分極マッチングフィルターは、検出装置自体において受動回路または能動回路（それぞれ、連続電流を流さないまたは流す）として用いられることができる。本発明において具体化された分極マッチングフィルターは、予め決められたタイプの特定の対象物の存在または不在を検知するのに用いられる、種々のタイプの動作設計を有する位置検出装置の慣用的な電子部品（抵抗器、コンデンサ、誘導器、トランジスタなど）と共に用いられることができる。
【図面の簡単な説明】
本発明の他の利点および目的を、添付の図面を参照してさらに詳細に説明する。
図１は、本発明に従う分極マッチングフィルタの第１具体例の斜視図である。
図２は、本発明に従う分極マッチングフィルタの第２具体例の斜視図である。
図３は、本発明に従う分極マッチングフィルタの第３具体例の斜視図である。
図４は、本発明に従って用いられる補助アッタチメントを示す。
好ましい具体例の詳細な説明
目標とする対象物（目標物）の外部電場およびその勾配が、目標物のための特定の分極パターンを画定する。目標物の電場およびその勾配を検知するために、目標物の分極パターンと逆の分極パターンを、検知器の構成要素、例えばアンテナなどに与えることが必要である。本発明に従う分極マッチングフィルタは、検知器の操作者と、逆に分極される検知器の構成部品との間のマッチングブリッジとして働いて前記反対の分極パターンを発生する。
材料の特定の組合せが、分極フィルタの所望の効果をもたらすことが分かっている。図１は、本発明の第１具体例に従うフィルタを示す。このフィルタは、非導電性の材料のためのフィルタである。図１に示すように、フィルタ１０は、フィルタ本体１４内に封入された、誘電特性複製マッチング材料１２を含む。フィルタ本体１４は、ポリマー、例えば、ポリウレタンから形成されている。誘電特性複製マッチング材料１２を取り囲むように配置された１組の平行なプレート１６もまた、フィルタハウジング１４内に封入されている。プレート１６は、好ましくは、異なるポリマー、例えばアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）から形成されている。この配置において、プレート１６は、イソシアナートのグルーポッド１８などを介して金属のリード線２０と連結されている。
誘電特性複製マッチング材料１２は、検知されるべき目標物の特性に従って選択される。すなわち、誘電特性複製マッチング材料は、検知される目標物の材料と同一の誘電特性、時定数、および関連する巨視的摩擦係数を含む。好適な複製誘電特性複製マッチング材料の例は、人間の検知のための、人間のナノ構造ケラチン蛋白質ポリマーと、動物の検知のための、動物のナノ構造ケラチン蛋白質ポリマーと、プラスチックなどの検出のための、特定のプラスチック（ポリマーと添加剤の混合物）を含む。
図２を参照する。第２の具体例は、導電性の複製材料のための具体例であり、その構造は、第１具体例の構造と実質的に類似している。しかし、フィルタ１０’内のプレート１６’は、金属、例えば、銅、真鍮、アルミニウムまたはスチールから形成される。金属プレート１６’はリード線２０’に、はんだポッド１８’を介して連結されている。好適な導電性の特性複製マッチング材料の例は、例えば、金、シルバー、プラチナ、パラジウムおよび鉄を含む。
図３を参照すると、第３の具体例においては、非導電性の複製材料のために、誘電特性複製マッチング材料自体がフィルタハウジングとして用いられている。図３に示すように、本発明の第３具体例に従うフィルタ３０は、誘電特性複製マッチング材料から形成されたフィルタハウジング３２を含む。また、ハウジング３２は、その内部にキャビティ３４を画成している。別の誘電体材料、例えば空気がキャビティ３４内に配置されている、キャビティ３４からの出口３８が、フィルタハウジング３２内に形成されており、出口３８は、導線材料４０、好ましくは金属製の導電材料４０で充填されている。外部の電子回路連結器および接地端子（図示せず）と連結されている。
本発明に従う分極マッチングフィルタの効果が、補助アタッチメント５０を取り付けることによって増大されることが分かっている。図４に示すように、補助アタッチメント５０は、プラスチックハウジング５２内に含まれた、２−プロパノールの溶液、または、固体もしくは液体の２−メチル−２−プロパノールを含む。アタッチメント５０は、プロパノール、または、２−メチル−２−プロパノールと接触している導電バー５４を含み、導電バー５４は、ハウジング５２の外部に延びるリード線５６と連結している。動作において、補助アタッチメント５０は、本発明のフィルタと作動的に協働して、フィルタの作用を増大させる。
誘電運動（誘電泳動）現象を、本発明に開示されたこの誘電分極マッチングフィルタと共に、少なくとも２つの方法で用いて、特定の対象物の検知および位置づけを可能にすることができる。第１の方法は、誘電泳動力を直接用いる。これは、通常、明確なピボットポイントおよびピボットラインの周囲で作用する、トルクの「遠隔動作」によって観察される。この用途の例は本出願人の同時係属中の特許出願第０８／７５８，２４８号に開示されており、この開示を援用して本文の記載の一部とする。
第２の方法論は、検知されるべき対象物の材料の誘電複製が、外部の静電帯電による外部電場およびその空間勾配を備えることにある。これは、複製参照材料と誘電的に整合する第２の材料が、参照材料に近接し、かつ静電帯電によりもたらされる外部電場によって分極を被るときに、測定可能な電気エネルギーの補給が生じることを可能にする。
本発明を、現在最も実用的でかつ好ましいと見なされる具体例との関連で記載したが、本発明は、開示された具体例に限定されるものではなく、むしろ、添付の請求の範囲の精神および範囲内に含まれる種々の改良および均等物を網羅するものであることが理解されるべきである。
【図１】
0004086909.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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