JP2001520745A - 容器内の流動性製品を非侵襲的に分析するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の装置はコンベヤーベルトと振動器をもつコンベヤーアセンブリを含む。コンベヤーベルトは液体製品のユニットを振動器から分析位置まで送達するように構成する。振動器は液体製品のユニットに運動を生じるように構成する。装置は更にチャンバーを内側に規定するパッドをもつ超音波透過パッドアセンブリを含む。チャンバーには液体音響結合体を収容する。超音波透過パッドアセンブリは更に前記液体音響結合体と超音波接触する超音波トランスデューサーを含む。パッドは分析位置で液体製品のユニットと接触するように配置する。パッドは上部と下部をもち、下部が分析位置まで送達された液体製品のユニットと接触する前に上部が分析位置まで送達された液体製品のユニットと接触するように配置する。

Description

【発明の詳細な説明】容器内の流動性製品を非侵襲的に分析するための方法及び装置 発明の背景 本発明は流動性製品の分析方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は非 侵襲的技法を使用して製品品質の評価を実施するための方法及び装置に関する。 固体及び液体製品の分析に超音波画像形成技術を使用することは周知である。 トランスデューサーにより発生した超音波をターゲット製品に送り、ターゲット 製品により反射されるか又はターゲット製品を透過した超音波をレシーバーによ り受信する。その後、ターゲット製品の多数の異なる特性を判別する目的で、レ シーバーにより受信した波パターンを分析することができる。例えば、超音波画 像形成技術は固体製品の空隙や他の物理的欠陥を検出する目的で使用することが できる。更に、液体中の粒状物質や気泡の存在を検出するためにも超音波画像形 成技術を使用できる。しかし、超音波画像の分析は面倒且つ主観的であるため、 偽陽性及び偽陰性分析となることがある。更に、超音波画像の分析は時間消費的 であるため、この方法に伴 う費用はかなり高くなる。これらの理由により、流動性製品を客観的、迅速且つ 再現可能に分析できるように製品の超音波評価を実施するための方法及び装置を 得ることが望ましい。発明の要約 本発明は流動性製品の超音波分析を実施するためのシステム及び方法を提供す る。本発明のシステムは流動性製品を分析位置まで輸送するコンベヤーアセンブ リを含む。コンベヤーアセンブリは製品を振動させて製品とそのパッケージの相 対運動を生じるように構成された振動アセンブリを含む。システムは更に、上端 部と下端部をもつ超音波透過パッドアセンブリを含み、パッドアセンブリは製品 がコンベヤーアセンブリにより輸送されるにつれて製品と衝突するように配置さ れている。パッドアセンブリは更に、パッドの下端部が製品と接触する前に上端 部が製品と接触するように配置されている。超音波透過パッドアセンブリは超音 波透過パッドと超音波結合された超音波プローブを含み、超音波プローブは流動 性製品の超音波分析を実施するように構成されている。 代替態様では、本発明は流動性製品を分析位置まで輸送するためのコンベヤー 手段を含む。本発明は更に、分析位置で製品 ユニットと接触するように配置された超音波トランスデューサーアセンブリを含 む。超音波トランスデューサーアセンブリは上端部と下端部をもち、アセンブリ は分析位置で製品と衝突するように配置されている。超音波トランスデューサー アセンブリは更に、アセンブリの下端部が製品と接触する前に上端部が製品と接 触するように配置されている。超音波トランスデューサーアセンブリは流動性製 品の超音波分析を実施するように構成された超音波プローブを含む。図面の簡単な説明 本発明をより完全に理解できるように、以下の詳細な説明では添付図面を用い て説明する。 図１は本発明により構成されるシステムの第１の態様の概略図である。 図２は本発明により構成されるシステムの第２の態様の概略図である。 図３は本発明により構成される超音波トランスデューサーアセンブリの概略図 である。詳細な説明 図１では、本発明により構成されるシステム全体を１０で示 す。システム１０はシステム１０により収集されるデータを分析するように構成 された処理ユニット１２を含むことが好ましい。図１に示すように、処理ユニッ ト１２はソフトウェア及び／又はハードウェアにより制御されるコンピューター システム、例えば必要なプログラムを組み込んだコンピューターチップである。 処理ユニット１２の機能については追って詳述する。また、システム１０と処理 ユニット１２の機能は参考資料として本明細書の一部とする１９９６年３月２９ 日付け同時係属米国出願第０８／６２３，７２１号に詳細に記載されている。 システム１０は更に超音波トランスデューサー１４を含む。図１に示す本発明 の態様では、超音波トランスデューサー１４は超音波を送受信する。本開示の目 的では、超音波を送受信するように構成した単一超音波トランスデューサー１４ を含むものとしてシステム１０を説明する。本発明の好適態様はこのようなトラ ンスデューサー１４を含む。しかし、当然のことながら、請求の範囲に記載する 本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、超音波の送信と受信に別々の超音 波トランスデューサー１４を使用してもよい。また、本発明では多重超音波トラ ンスデューサー１４を同時に使用してもよい。更に、本発明で 使用される超音波トランスデューサー１４は公知構造及び動作の単一又はアレー 型トランスデューサーとすることができる。本発明の好適態様では、超音波トラ ンスデューサー１４は更にトランスデューサーから送信された超音波を公知技術 により集束させるように構成される。 超音波トランスデューサー１４は、容器に入れた液体製品１６と超音波接触で きるように配置される。本明細書で使用する「超音波接触」なる用語は、超音波 トランスデューサー１４から送信された超音波が製品１６に実質的に（即ち実質 的減衰なしに）送受信されるような物理的関係を意味する。本明細書に記載する 製品１６は超音波信号を透過するとして知られている任意材料、例えばプラスチ ック、ガラス、金属及びその組み合わせから構成される容器を含む。 超音波結合ゲルを製品１６の外表面に配置し、超音波トランスデューサー１４ を超音波結合ゲルと接触させることにより、超音波トランスデューサー１４と製 品１６の間に超音波接触を設定することができる。液体（例えば水）を製品１６ の外表面に吹付けるか又は製品１６を液体（例えば水）に浸した後、超音波トラ ンスデューサー１４を製品１６の外表面の周囲の液体 と接触させても超音波トランスデューサー１４と製品１６の間に超音波接触を設 定することができる。本発明の好適態様では、無ゲル技術を使用して超音波トラ ンスデューサー１４と製品１６の間に超音波接触を形成する。好ましい無ゲル技 術の例は、各々本発明の譲受人に譲渡されており且つ各々参考資料として本明細 書の一部とするＷａｎｇらの米国特許第５，４９４，０３８号、１９９６年２月 ２６日付け同時係属米国出願第０８／６０６，７６６号及び１９９６年２月２６ 日付け同時係属米国出願第０８／６０６，９８６号に記載されている。本発明の 好適態様で使用する無ゲルシステム３４を図３に示す。 米国特許第５，４９４，０３８号に開示されている第１の態様では、無ゲル技 術は貫通細孔を規定する膜を利用している。膜は水等の液体音響結合体を収容す るチャンバーを規定している。超音波トランスデューサー１４はチャンバーを規 定する膜と接触させてもよいし、チャンバーの内側に配置してもよい。膜を貫通 する細孔は、液体音響結合体の分子が細孔に流入するか又は細孔を通過し、超音 波トランスデューサーとターゲット物体の表面を所謂間接接触（即ち液体音響結 合体と多孔質膜を介して接触）させるような寸法にする。このトランスデューサ ーとターゲット物体の表面の間接接触により、超音波トランスデューサーから送 信された超音波はターゲット物体に送られ、受信される。 米国特許第５，４９４，０３８号に開示されている第２の態様では、無ゲル技 術は貫通細孔を規定する膜を利用している。膜と超音波トランスデューサーの超 音波送受信端は相互間にチャンバーを規定している。チャンバーに水等の液体音 響結合体を配置する。膜の細孔は、液体音響結合体の分子が細孔に流入するか又 は細孔を通過し、ターゲット物体の表面をチャンバー内の液体音響結合体及び超 音波トランスデューサーと間接接触させるような寸法にする。当然のことながら 、本発明の範囲内で米国特許第５，４９４，０３８号に開示されている無ゲル技 術に種々の変更が可能である。 電気接続又はケーブルを介して公知構造及び動作のトランスデューサー制御シ ステム１８を超音波トランスデューサー１４に接続することができる。トランス デューサー制御システム１８を使用する態様では、電気接続又はケーブルを介し てシステム１８を処理ユニット１２に接続することも好ましい。トランスデュー サー制御システム１８は制御信号をトランスデューサー １４に送ることにより超音波トランスデューサー１４の操作パラメーター（例え ば周波数、振幅及び動的集束）を制御する。超音波トランスデューサー１４によ り受信された超音波は電気接続又はケーブルを介してトランスデューサー制御シ ステム１８に転送されるが、このような転送は直接行われる場合もあるし、超音 波トランスデューサー１４が受信波信号をトランスデューサー制御システム１２ により解釈可能な形態に変換後に行われる場合もある。その後、トランスデュー サー制御システム１８は受信超音波パターンを処理ユニット１２により解読可能 な波画像信号に変換し、得られた波画像信号を処理ユニット１２に転送する。ト ランスデューサー制御システム１８は所望の超音波パラメーターを提供すると共 に所望の波画像を処理ユニット１２に提供するようにオペレーターにより調節で きることが好ましい。当然のことながら、処理ユニット１２、トランスデューサ ー制御システム１８及び超音波トランスデューサー１４の機能は、これらのコン ポーネントの夫々の機能を兼備する単一ユニットに統合してもよい。 図１に示す本発明の態様では、システム１０は台、プラットフォーム、床又は 他の表面に配置するように構成されている。 図例の態様では、製品１６を支持するためにプラットフォーム２０を設けている 。プラットフォーム２０は回転可能に構成することができる。プラットフォーム ２０を回転可能にした本発明の態様では、手で回転してもよいし、公知構造の回 転駆動システム２２の選択操作により回転してもよい。容器保持器２４をプラッ トフォーム２０に配置し、製品１６とプラットフォーム２０の相対運動を阻止す るために製品１６をプラットフォーム２０に解放可能に保持するように構成する 。超音波トランスデューサー１４とプラットフォーム２０は、超音波トランスデ ューサー１４を製品１６と超音波接触させることができるように構成されている 。図１に示す本発明の態様ではプラットフォーム２０は滑動可能であり、超音波 トランスデューサー１４を製品１６と超音波接触させるように移動できる。この 態様では、プラットフォーム２０に線形運動と回転運動を生じるように駆動シス テム２２を構成することができる。図１に示す態様の代替構成では、製品１６に 向かって移動して超音波接触できるように超音波トランスデューサー１４を配置 し、製品１６に回転運動を生じるようにプラットフォーム２０を構成する。 プラットフォーム２０と回転駆動システム２２は本発明の範 囲のコンベヤー手段の１態様を構成する。プラットフォーム２０と、回転駆動シ ステム２２と、超音波トランスデューサー１４に線形運動を生じるためのメカニ ズムは本発明によるコンベヤー手段の第２の態様を構成する。本明細書で使用す る「コンベヤー手段」なる用語は製品１６に振動を生じ、製品１６をトランスデ ューサー１４と直接又は間接接触させるように超音波トランスデューサー１４と 製品１６の間に相対運動を生じるための公知システム及びメカニズムの任意組み 合わせを意味する。例えば、トランスデューサー１４と製品１６の間の必要な相 対運動及び製品１６の必要な振動を生じるようにロボットを配置することができ る。 図２は本発明により構成されるコンベヤー手段の代替態様を示す。図２に示す 本発明の態様では、システム１０は複数の製品１６を所定通路（例えばアセンブ リライン）に沿って搬送するシステムの一部として構成される。この態様では、 コンベヤーベルト２８を含むコンベヤーアセンブリ２６を設け、製品１６を超音 波トランスデューサー１４に向けて移動する。コンベヤーベルト２８は任意公知 構造とすることができる。図２に示すように、コンベヤーベルト２８は実質的に 水平であり、製 品１６の下に配置される。当然のことながら、１又は２本のコンベヤーベルトを 製品１６の１面以上と接触するように実質的に垂直に配置する場合には、製品１ ６に運動を生じるようにコンベヤーベルト２８を構成してもよい。あるいは、コ ンベヤーベルト２８の代わりに、非限定的な例として星車等の他の公知製品輸送 メカニズムを利用してもよい。 図２に示す態様では、コンベヤーアセンブリ２６は振動器３０を含み、該振動 器は製品１６に回転運動を生じるように構成することが好ましい。製品１６に運 動を生じることの重要性については追って詳述する。振動器３０は製品１６に他 の型の振動を生じるように構成してもよい。例えば、製品１６に振動エネルギー を加えて製品１６の内側に粒子と気泡のランダム運動を生じるように振動器３０ を構成してもよい。あるいは、任意の所望平面内で製品１６に運動を生じるよう に振動器３０を構成してもよい。本発明の好適態様は、コンベヤーアセンブリ２ ６により輸送されるにつれて製品１６に回転運動を生じる振動器３０を含む。振 動器３０は製品１６の内側の粒子と気泡に実質的に平面状の運動を生じるように 配置及び構成することが好ましい。好適態様では、振動器３０は製品１６を入れ た容器 の縦軸の周囲に製品１６を回転させるターンテーブルである。好適態様では公知 構造の付加エレメントを設け、製品１６をコンベヤーベルト２８の上流部分２８ ａから振動器３０まで送達し、製品１６を振動器３０からコンベヤーベルト２８ の下流部分２８ｂまで送達する。更に、公知構造の製品保持エレメントを設け、 製品１６が回転につれて振動器３０に対して相対運動しないようにしてもよい。 添付図面に示さない本発明の別の代替態様では、ロボットを含むコンベヤー手 段を設ける。ロボットは超音波トランスデューサー１４と製品１６が相互に接触 するように超音波トランスデューサー１４と製品１６の相対運動を生じるように 構成することができる。また、製品１６が超音波トランスデューサー１４と接触 する時点よりも前に例えば回転運動等の振動を製品１６に生じるようにロボット を構成してもよい。更に、このようなロボットに超音波トランスデューサー１４ を組み込んでもよい。即ち、超音波トランスデューサー１４をロボットに組み込 み、ロボットが製品１６を搬送及び／又は振動するにつれて超音波トランスデュ ーサー１４が製品１６と超音波接触するようにしてもよい。「コンベヤー手段」 及び「コンベヤーアセン ブリ」なる用語はこの種のロボットを使用するシステムを含む。 分析位置２６にある間、製品１６は超音波トランスデューサー１４と超音波接 触している。上述のように、超音波トランスデューサー１４と製品１６の超音波 接触はコンベヤーアセンブリ２６により超音波トランスデューサー１４を移動し て製品１６と接触させるか又は製品１６を移動して超音波トランスデューサー１ ４と接触させることにより実施することができる。図２に示す本発明の好適態様 では、コンベヤーアセンブリ２６のコンベヤーベルト２８の上流部分２８ａと下 流部分２８ｂにより製品１６を移動して超音波トランスデューサー１４と超音波 接触させる。 当然のことながら、図２に示す本発明の態様の他の構成も可能である。例えば 、超音波トランスデューサー１４を回転可能なヘッドに取り付け、製品１６がコ ンベヤーベルト２８により分析位置３２を越えて移動するにつれて超音波トラン スデューサー１４が製品１６と超音波接触するようにしてもよい。更に、超音波 トランスデューサー１４を往復メカニズムに取り付け、製品１６がコンベヤーア センブリ２６により搬送されるにつれて超音波トランスデューサーが移動して製 品１６と超音波接触 及び分離できるようにしてもよい。 本発明の好適態様では、図３に示すような無ゲルシステム３４を使用すること によりトランスデューサー１４を製品１６と超音波接触させる。無ゲルシステム は相互間にチャンバー３８を規定するパッド３６とブロック３７を含む。パッド ３６は上述のように多孔質材料から構成することが好ましい。ブロック３７はス テンレス鋼から構成することが好ましく、内側に凹部３７ａを規定する。本発明 の好適態様では、凹部３７ａは実質的に矩形の横断面をもつ。しかし、当然のこ とながら、請求の範囲に記載する本発明の範囲内で他の横断面構造の凹部３７ａ も可能である。図３に示すように、パッド３６はブロック３７の凹部３７ａを覆 うように配置される。パッド３６はチャンバー３８内の液体がブロック３７とパ ッド３６の間の接合部を通過しないように公知技術により凹部３７ａの周囲でブ ロック３７に液密封止することが好ましい。 チャンバー３８にはイソプロパノールアルコール等の液体音響結合体４０を保 持する。結合体４０はパッド３６の多孔質材料により規定される細孔の寸法以下 の分子量をもつことが好ましい。こうして、結合体４０はパッド３６の細孔を通 過するか 又はこれに閉じ込められるので、チャンバー３８の内側とパッド３６の外表面に 接触している物体の間に超音波接触が生じる。図３に示すように、液体音響結合 体４０の存在によりパッド３６は凹部３７ａから外側に膨らむ。 本発明の好適態様では、チャンバー３８は補給用結合体４０を収容する供給容 器４２に流体連結されている。チャンバー３８に収容されている結合体４０の容 量をシステム１０の使用中に最低レベル以上に維持するために、公知構造のシス テム（例えば調節弁システム）を設けてもよい。 超音波トランスデューサー１４は図３に示すようにチャンバー３８の内側に配 置されている。好適態様では、超音波トランスデューサー１４はブロック３７か ら僅かに突出するように配置されている。本発明の１態様では、超音波トランス デューサー１４はその前端がブロック３７から約４〜５ｍｍ突出するように配置 されている。 当然のことながら、コンベヤーベルト２８と製品１６の接点に力が形成される と、コンベヤーベルト２８は製品１６を分析位置３２まで搬送する。パッド３６ と製品１６が接触すると、パッド３６により逆向きの等しい力が製品１６に加え られるの で、製品１６は分析位置３２にあるときにはそれ以上下流に移動できない。 本発明の好適態様では、パッド３６は上部４４と下部４６をもつ。パッド３６ は下部４６が製品１６と接触する前に上部４４が製品１６と接触するように配置 されている。例えば、コンベヤーアセンブリ２６が製品１６を実質的に水平な通 路に沿って分析位置３２まで送達するように構成されている場合及び製品１６が 分析のためにパッド３６に対して実質的に垂直な表面をもつ場合には、上部４４ を下部４６に対して前方に傾け、製品１６が下部４６と接触する前に上部４４と 接触するようにパッド３６を配置することが好ましい。 コンベヤーベルト２８とパッド３６は異なる高さで製品１６に接触するため、 製品１６にトルク力が生じる。このトルク力により製品１６は僅かに回転する。 このトルク力が製品１６の重量により相殺されると、製品１６の回転は止まる。 当然のことながら、製品１６の重量は重力により鉛直方向下向きの力を生じ、こ の力がトルク力を相殺する。その結果、製品１６は分析位置３２にあるときには 安定した平衡位置にある。超音波トランスデューサー１４は分析位置３２で製品 １６の表面と実質 的に垂直になるようにチャンバー３８の内側に配置することが好ましい。本発明 のシステム１０により実施される超音波試験の精度が高いのは、分析位置３２に あるときに製品１６が比較的安定しているためである。 本発明のシステム１０は手動試験操作を模倣しており、製品１６の有意振動を 生じないため、実施される超音波分析の精度が高くなる。パッド３６が液体音響 結合体４０を含んでいるため、製品１６がパッド３６の上部４４と接触するにつ れて上部４４は製品とパッド間の衝撃のクッションとなる。即ち、パッド３６が 比較的柔軟であり、パッドに含まれる液体音響結合体４０が比較的流動性である ため、上部４４と製品１６の間の初期衝撃と、その後のコンベヤーベルト２８に 対する製品の角運動は、製品１６にほんの僅かしか振動を生じない。換言するな らば、製品１６とパッド３６間の衝撃は無ゲルシステム３４の相対配置と構造に より比較的緩和される。本発明のこの側面は、僅かな振動エネルギーでも振動し 易い低粘度製品を検査するためにシステム１０を使用する場合に特に有用である 。 当然のことながら、製品１６を入れた容器が超音波分析のために無ゲルシステ ム３４に対して実質的に垂直な面をもたない 場合、又はコンベヤーアセンブリ２６が実質的に水平な通路に沿って製品１６を 分析位置３２まで送達しない場合には、無ゲルシステム３４と製品１６の相対配 置を変えることが必要な場合もある。 分析位置３２に向かう製品１６の進行方向に対する無ゲルシステム３４の好適 角配置は、製品１６が分析位置３２に送達される速度、製品１６とコンベヤーベ ルト２８の間の摩擦力の大きさ、製品１６の形状、製品１６の寸法及び製品１６ の他の物性等の種々の因子に依存する。従って、本発明のシステム１０を使用し て試験する製品毎に無ゲルシステム３４の好適角配置を決定することが必要であ る。 システム１０は、駆動すると製品１６をパッド３６から引き離す（即ち製品１ ６がコンベヤーアセンブリ２６により分析位置３２まで送達される方向と実質的 に逆の方向に製品１６を推進する）第１のピストン４８を含むことが好ましい。 第２のピストン５０も設ける。第２のピストン５０は駆動すると製品１６をコン ベヤーアセンブリ２６から引き離して分析位置３２から遠ざけ、製品１６の後続 ユニットを検査できるようにする。本発明の好適態様では、第２のピストン５０ は製品１６を分析 位置３２から遠ざけ、製品１６がコンベヤーアセンブリ２６により分析位置３２ まで送達される方向に実質的に垂直であり且つ第１のピストン４８により加えら れる運動の方向に実質的に垂直な方向に製品を移動する。当然のことながら、製 品１６が移動中にパッド３６と接触している場合には製品１６がコンベヤーアセ ンブリ２６から離れるとパッド３６を損傷する恐れがある。従って、第１のピス トン４８は第２のピストン５０を駆動する前に製品１６をパッド３６から引き離 すように配置する。第１のピストン４８と第２のピストン５０の相対駆動タイミ ングは、第１のピストン４８が製品１６をパッド３６から引き離した後でコンベ ヤーベルト２８が製品１６を戻してパッド３６と係合させる前に第２のピストン ５０が製品１６をコンベヤーアセンブリ２６から引き離すように制御することが 好ましい。 製品１６が分析位置３２から離れると、パッド３６とパッドに含まれる液体音 響結合体４０は製品１６の別のユニットと接触するまでその静止位置に戻る。液 体音響結合体４０がパッド３６の内側のチャンバー３８から放出されると、補給 結合体４０が供給容器４２からチャンバー３８に供給される。パッド３６の細孔 から結合体４０を放出すると、パッド３６の表面を洗浄 する傾向があるので有益であり得ることが分かった。更に、パッド３６の細孔に 補充すると、これらの細孔内の毛管作用を強化し、トランスデューサー１４と製 品１６の間の超音波信号伝送を強化することができる。 第２のピストン５０によりコンベヤーベルト２８から引き離した後に製品１６ を後続処理又は包装ステーションに搬送するために下流コンベヤーシステム５２ を設ける。 本発明の好適態様では、拒絶ピストンメカニズム５４を設ける。拒絶ピストン メカニズム５４は製品１６の許容不能なユニットを下流コンベヤーシステム５２ から除去するように構成する。拒絶ピストンメカニズム５４は、製品１６の品質 が許容パラメーターに満たないと処理ユニット１２が判断する場合に駆動される ように処理ユニット１２により制御されることが好ましい。本発明では、処理ユ ニット１２は製品１６の品質が許容可能なパラメーターに満たない場合に「拒絶 信号」を発生し、この信号が拒絶ピストンメカニズム５４を駆動する。 当然のことながら、ピストン４８及び５０と、下流コンベヤーシステム５２と 、拒絶ピストンメカニズム５４は本発明の所期精神及び範囲内でロボットに置き 換えることができる。 システム１０は製品１６の１ユニット以上を超音波試験できるように構成する 。システム１０は製品１６の静的又は動的超音波分析能をもつ。静的試験を使用 すると、固体製品、流動性製品又は固体成分と流動性成分の両者をもつ製品に関 する種々の情報を提供することができる。動的試験を使用すると、流動性製品又 は固体成分と流動性成分の両者をもつ製品に関する種々の情報を提供することが できる。動的試験は固体製品では製品が固体であることを確認する目的又は空の 容器を識別する目的にしか使用できない。 静的試験手順では、製品１６を振動させない。従って、システム１０を静的試 験モードで操作する場合には、コンベヤーアセンブリ２６は製品１６を回転又は 他の方法で振動させない。システム１０を好ましい動的試験モードで操作する場 合には、コンベヤーアセンブリ２６は上述のように製品１６を振動させる。当然 のことながら、本発明の好適態様の振動器３０は、回転が製品１６に運動を生じ るに十分である限り任意角度回転するように構成できる。更に、速度プロフィル 即ち振動器３０が製品１６を振動させる速度と加速は、製品１６の種類と処理ユ ニット１２、トランスデューサー制御システム１８及び超音波 トランスデューサー１４の操作パラメーターに応じて変更できる。 静的試験を使用すると、製品１６中の気泡、異物又は構造欠陥の検出をはじめ とする製品１６に関する種々の情報を提供することができる。静的試験を使用す ると、製品１６を入れた容器が充填不足か又は充填過剰かを調べる目的で製品１ ６を分析することができる。静的試験を使用すると、製品１６の総コンシステン シーを分析することもできる。 動的試験を使用すると、静的試験で提供される全情報を提供することができる 。更に、動的試験を使用すると、振動後の製品１６の流動性を分析することがで きる。汚染や傷のある製品１６には変化が生じるので、製品１６の流動性を使用 して汚染や傷のある製品を識別することができる。例えば、乳製品は汚染してい ると粘度が高くなる傾向がある。従って、本発明の動的試験法を使用して乳製品 の流動性を分析することにより、乳製品の汚染の有無を調べることができる。 本発明により実施される静的試験手順では、製品１６を超音波トランスデュー サー１４と超音波接触させる。超音波トランスデューサー１４からの超音波を製 品１６に送る。超音波トラ ンスデューサー１４が超音波を送受信するようにを構成した本発明の態様では、 超音波トランスデューサー１４は製品１６の反射成分により生じた送信超音波の 反射と屈折の結果として変化した製品１６からの波パターンも受信する。物体の 種々の反射成分（例えば気泡や粒状物質）が超音波の反射／屈折を生じ、物体の 超音波画像を形成できることは当該技術分野で周知である。本発明の装置につい て上述したように、超音波トランスデューサー１４及び／又は処理ユニット１２ は受信超音波パターンを処理し、システム１０により解読可能な形態に変換する 。 処理ユニット１２は変換波画像を画素単位で分析し、数値グレースケール値を 各画素に割り当てる。本明細書で使用する「画素」なる用語は波画像内の有限領域 を意味する。画素は種々の幾何形状と寸法をとることができるが、一般には長方 形又は正方形である。使用する画素数は処理ユニット１２の容量と被分析製品１ ６の特性により決定される。本発明の１態様では、処理ユニット１２は２２０× １００構成に配置された２２，０００個の画素を使用して変換波画像を分析する 。当業者に自明の通り、本発明の精神及び範囲内で他の画素構成も可能である。 各画素に割り当てられるグレースケール値の大きさは各画素 内の信号の強度により決定される。割り当てられた各グレースケール値を総和し 、合計を画素数で割ることにより波画像の平均グレースケール値を計算すること ができる。製品１６中の粒状物質、凝塊、異物及び／又は気泡（即ち反射成分） の数が許容値よりも高い場合には、波画像の平均グレースケール値は許容平均グ レースケールス値よりも高くなる。従って、例えば微生物、物理、化学及び目視 試験並びにその組み合わせ等の公知試験法を使用して予め許容可能であるとみな された製品１６のユニットを分析することにより、製品１６の平均グレースケー ル値の許容範囲を設定することができる。その後、処理ユニット１２は平均グレ ースケール計算値を製品１６の平均グレースケール値の許容範囲と比較し、被分 析製品１６のユニットが許容可能であるか否かを判断することができる。平均グ レースケール計算値が許容範囲内にない場合には、処理ユニット１２は製品ユニ ットを廃棄すべきであることを知らせる拒絶信号を発生することが好ましい。 静的試験は製品１６中の異物を識別する目的で使用することもできる。波画像 の各画素にグレースケール値を割り当てた後、処理ユニット１２は画素間にグレ ースケール値の大きな偏差が あるか否かを識別する目的で割り当てた値を分析する。気泡や凝塊と異なり、異 物は強度の高い画像を生じる傾向があるので、グレースケール値が高くなる。従 って、画素間のグレースケール値に有意変動が生じた場合には、製品１６に異物 が混入している恐れがある。この静的試験モードでは、処理ユニットは波画像の グレースケール値の変動を変動許容範囲と比較し、製品１６に許容不能な異物が 混入しているか否かを調べる。この場合も、グレースケール値の変動許容範囲は 、他の方法を使用して許容可能であることが分かっている製品１６のユニットを 試験することにより決定することができる。当然のことながら、製品１６中の異 物の存在を識別するために処理ユニット１２により使用されるグレースケール偏 差標準は製品１６の種類のより異なる。処理ユニット１２が製品１６中に許容不 能な異物を検出した場合には、処理ユニット１２は上述のように拒絶信号を発生 する。 静的試験は製品１６の充填レベルを知らせるためにも使用できる。超音波に対 する空気抵抗はほぼ無限であるため、製品１６と製品１６を入れた容器内の空気 の間の界面では波画像が不連続になる。処理ユニット１２は空気／製品界面を設 定する目的 で波画像のグレースケール値を分析することによりこの界面を識別することがで きる。界面の位置を識別後、処理ユニット１２は製品１６の充填レベルを充填レ ベル許容範囲と比較し、製品１６が充填不足か又は充填過剰かを調べる。界面位 置が予め選択した充填レベル許容範囲内にない場合には、処理ユニット１２は上 述のように拒絶信号を発生する。当然のことながら、正確な充填情報を提供する ためには、製品１６に対する超音波トランスデューサー１４の位置決めを制御し なければならない。本発明のシステム１０は製品１６の分析時に超音波トランス デューサー１４と製品１６の間に固定又は標準関係を提供するように構成するこ とが好ましい。 動的試験は静的試験と異なり、処理ユニット１２により受信された２個以上の 波画像を分析して製品１６の所定の特性を測定する。上述のように、静的試験を 使用して実施可能な分析の各々は、動的試験の単一画像、即ち多数の画像のうち の任意の１個を分析することにより実施することができる。しかし、これらの試 験は静止製品を分析するのでなく、運動製品即ち運動中の製品のスナップショッ トを分析する。振動器又は本明細書に記載する等価装置により製品１６を運動さ せる。本発明の装 置の好適態様について上述したように、種々の公知型の振動器を使用して種々の 型の運度を製品１６に生じることができる。本開示の目的では、振動器により生 じる運動は回転運動である。しかし、当然のことながら、本明細書に記載する動 的試験法は振動器３０により製品１６に生じることが可能な全運動に適用される 。 本発明の方法により実施される動的試験手順では、振動器３０により流動性製 品１６を運動させる。次に、上述のようにパッド３６を介して超音波トランスデ ューサー１４を製品１６と超音波接触させる。超音波トランスデューサー１４は 複数の超音波を発生し、これらの超音波は製品１６に侵入後、超音波トランスデ ューサー１４により受信される。超音波トランスデューサー１４は受信波画像を 処理ユニット１２により解読可能な形態に変換することが好ましく、変換された 波画像は分析のために処理ユニット１２に送信される。 本発明によると、処理ユニット１２は超音波トランスデューサー１４から処理 ユニット１２により受信される複数の波画像の最初の画像にグレースケール値を 画素単位で割り当て、製品１６のその後の分析の基準を設定する。本発明の好適 態様によ ると、処理ユニット１２は閾値をもつ画素を検出する目的で各画素に割り当てら れたグレースケール値を分析する。所定の閾値よりも高いグレースケール値をも つ画素は製品１６中の気泡、粒状物質、異物又は凝塊の存在を表す。本開示の目 的では、気泡、粒状物質、異物又は凝塊を製品１６の「反射含有物」と呼ぶ。反 射含有物を識別するために処理ユニット１２により使用される閾値は被分析製品 と試験目的により異なる。閾値は処理ユニット１２に予めプログラムしておくこ とが好ましい。 割り当てたグレースケール値を分析する際に、処理ユニット１２は反射画像に より表される各反射含有物の周囲を識別する目的で少なくとも閾値と同じ大きさ のグレースケール値をもつ各画素の近傍を分析する。処理ユニット１２は少なく とも閾値と同じ大きさのグレースケール値をもたない近傍の画素を識別すること により、各反射画像の周囲を確定する。次いで処理ユニット１２は識別した周囲 に基づいて反射画像の各々の中心又は重心を計算する。好適態様では、処理ユニ ット１２は識別した周囲と個々の画素のグレースケール値に基づいて反射画像の 各々の重心を計算する。この分析で重心を使用すると、処理ユニット１２が製品 １６内を移動する個々の反射含有物をより良 好に識別できるので有利である。本発明の１態様では、処理ユニット１２は反射 画像の寸法が所定閾値よりも大きい場合には拒絶信号を発生し、異物又は望まし くない凝固もしくは凝集の存在を知らせるように構成される。当然のことながら 、製品１６の動的分析のこの部分は静的分析でも実施できる。 その後、処理ユニット１２は後続画像で製品１６の反射含有物の反射画像の各 々の中心又は重心を識別する目的で複数の受信波画像の２番目の画像を同様に分 析する。処理ユニット１２により分析される２番目の波画像は、製品１６の反射 含有物が移動するに十分な時間を与えられるように最初の波画像の時点から十分 な時間を経過した後の時点で製品１６の「スナップショット」を表すことが好ま しい。最初に分析する波画像と２番目に分析する波画像の間に所望される時間遅 延は、製品１６に生じる振動の程度と、製品１６の粘度により異なる。製品１６ に生じる振動の程度が高い場合又は製品１６の粘度が比較的低い場合には、最初 に分析する波画像と２番目に分析する波画像が時間的に比較的接近していること が好ましい。製品１６に生じる振動の程度が比較的低い場合又は製品１６の粘度 が高い場合には、最初に分析する波画像と２番目に分析する波画像が時 間的に離れていることが好ましい。 最初に分析する波画像から２番目に分析する波画像までの各反射画像の中心又 は重心の移動を表すためにベクトルを設定することができる。各分析波画像で各 反射画像の各位置にｘ及びｙ軸値を割り当てることにより、各反射画像の中心又 は重心の変位、従って各ベクトルの大きさをピタゴラスの定理により確定するこ とができる。各反射画像の中心の変位を最初に分析する波画像と２番目に分析す る波画像の間に経過した時間の量で割ることにより、製品１６の各反射含有物の 速度を計算することができる。 本発明の好適態様では、３個以上の別個の波画像を分析することにより、処理 ユニット１２によりベクトルを設定する。例えば、処理ユニット１２は４個の異 なる波画像を分析してベクトルを設定することができる。 上述のように、本発明の好適態様では、最初の画像と最後の画像の反射含有物 の重心ｘｙ座標を使用してベクトルを計算する。３個以上の波画像を分析する場 合には、分析する波画像を時間的に相互に比較的接近させると、処理ユニット１ ２が反射含有物を適正に追跡して各反射含有物のベクトルを作成する確 実性を高めることができる。本発明の１態様では、処理ユニット１２は反射含有 物の画像の画素グレースケール値の合計により測定される反射含有物の質量がフ レーム間で実質的に一定であることを確認することにより、単一の反射含有物が 追跡されていることを確認するように構成される。他方、本発明の範囲内で別々 の時点で抽出した２個以上の別個の波画像を使用してベクトルを設定することも できる。全中間画像及び座標値は連続追跡の目的のみに使用される。 処理ユニット１２は製品１６の反射含有物の平均変位又は平均速度を計算する 目的でベクトルの統計分析を実施する。上述のように、製品１６の各反射含有物 の速度は製品１６の各反射含有物の変位に比例する。従って、製品１６の各反射 含有物の変位又は速度を使用して統計分析を実施することができる。その後、処 理ユニット１２は計算した平均変位又は平均速度を製品１６の反射含有物の変位 又は速度の許容範囲と比較する。更に、処理ユニット１２は製品１６の反射含有 物の変位又は速度の統計歪みを決定する。得られた歪みを更に製品１６の反射含 有物の変位又は速度の歪みの許容範囲と比較する。平均変位、平均速度又は歪み が許容範囲内にない場合には、処理ユニット １２は製品１６が許容できないことを知らせる拒絶信号を発生する。上述のよう に、処理ユニット１２は処理ユニット１２が許容不能な製品１６を廃棄する目的 で拒絶信号を発生すると、拒絶ピストン５４を駆動する。 当然のことながら、動的試験法を使用して他の統計分析も実施できる。例えば 、製品１６の反射含有物が反射画像の全領域で実質的に同一速度で移動している か否かを調べる目的で各ベクトルの座標を分析するように処理ユニット１２を構 成することができる。反射画像の所定領域の反射含有物が製品１６のその他の領 域と実質的に異なる速度で移動している場合又は反射波画像の所定領域の反射含 有物が製品１６のその他の領域と実質的に異なる方向に移動している場合には、 製品１６が例えば局在汚染又は局在凝固等の局在変化を受けている恐れがある。 反射波画像の所定領域の反射含有物の流速又は方向が反射画像のその他の領域の 反射含有物の流速又は方向と実質的に異なる場合には、処理ユニット１２は拒絶 信号を発生することが好ましい。更に、各ベクトルの先端及び後端座標が反射波 画像に均一に分布しているか否かを調べる目的でこれらの座標を分析するように 処理ユニット１２を構成してもよい。製品１６が例え ば粘度等の特性の局在変化を受けている場合には、反射波画像の所定領域をベク トルが通らないことがある。処理ユニット１２は設定したベクトルの座標分布に 不整合を検出した場合には、拒絶信号を発生する。 製品粘度と粒状分は製品毎に異なるので、平均変位、平均速度及び歪みの許容 範囲は製品毎に計算する。更に、これらのパラメーターの許容範囲は製品１６の 振動速度と製品１６の振動から製品１６の超音波試験までの経過時間に基づいて 決定しなければならない。従って、化学及び目視試験等の公知試験を使用して許 容可能であると判断された製品１６で上記のように動的試験を実施することによ り許容範囲を設定することが好ましい。これらのパラメーターの許容範囲は実際 の試験手順で使用すると同一の振動速度及び同一の振動−超音波試験間の時間遅 延を使用して設定することが好ましい。 当然のことながら、粒子追跡のための処理ユニット１２の操作は、１９９３年 ７月１１〜１６日、カリフォルニア州、サンディエゴ、Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ ｅｒｓ主催Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｉｎ Ｆｌｕｉｄ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｆｌｏｗに起草されたＭａｒｋ Ｐ．Ｗｅｒｎｅｔ著 “Ｆｕｚｚｙ Ｌｏｇｉｃ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｖｅｌｏｃ ｉｍｅｔｒｙ”に開示されているアプローチに似たファジー理論を使用して実施 することができる。 以上、所定の好適態様について本発明の装置及び方法を詳細に説明したが、当 業者に自明の通り、請求の範囲に記載する本発明の所期精神及び範囲内で本発明 の種々の変更が可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年１月５日（１９９９．１．５） 【補正内容】 本明細書で使用する「超音波接触」なる用語は、超音波トランスデューサー１４ から送信された超音波が製品１６に実質的に（即ち実質的減衰なしに）送受信さ れるような物理的関係を意味する。本明細書に記載する製品１６は超音波信号を 透過するとして知られている任意材料、例えばプラスチック、ガラス、金属及び その組み合わせから構成される容器を含む。 超音波結合ゲルを製品１６の外表面に配置し、超音波トランスデューサー１４ を超音波結合ゲルと接触させることにより、超音波トランスデューサー１４と製 品１６の間に超音波接触を設定することができる。液体（例えば水）を製品１６ の外表面に吹付けるか又は製品１６を液体（例えば水）に浸した後、超音波トラ ンスデューサー１４を製品１６の外表面の周囲の液体と接触させても超音波トラ ンスデューサー１４と製品１６の間に超音波接触を設定することができる。本発 明の好適態様では、無ゲル技術を使用して超音波トランスデューサー１４と製品 １６の間に超音波接触を形成する。好ましい無ゲル技術の例は、各々本発明の譲 受人に譲渡されており且つ各々参考資料として本明細書の一部とするＷａｎｇら の米国特許第５，４９４，０３８号、米国特許第５，７７０，８０１号及び米国 特許第５，６５５， ５３９号に記載されている。本発明の好適態様で使用する無ゲルシステム３４を 図３に示す。 米国特許第５，４９４，０３８号に開示されている第１の態様では、無ゲル技 術は貫通細孔を規定する膜を利用している。膜は水等の液体音響結合体を収容す るチヤンバーを規定している。超音波トランスデューサー１４はチャンバーを規 定する膜と接触させてもよいし、チャンバーの内側に配置してもよい。膜を貫通 する細孔は、液体音響結合体の分子が細孔に流入するか又は細孔を通過し、超音 波トランスデューサーとターゲット物体の表面を所謂間接接触（即ち液体音響結 合体と多孔質膜を介して接触）させるような寸法にする。このトランスデューサ ーとターゲット物体の表面の間接接触により、超音波トランスデューサーから送 信された超音波はターゲット物体に送られ、受信される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ワン，チヤンチユン アメリカ合衆国、オハイオ・43235、コロ ンバス、パイン・バーク・レイン・6907

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流動性製品の分析装置であって、前記装置が、 容器の内側の流動性製品に運動を生じるように構成された振動器と、流動性製品 を入れた容器を前記振動器から分析位置まで送達するように構成されたコンベヤ ーベルトを含むコンベヤーアセンブリと、 液体音響結合体を収容するチャンバーを内側に規定する超音波透過パッドアセン ブリを含み、前記超音波透過パッドアセンブリが更に前記液体音響結合体と超音 波接触する超音波トランスデューサーを含み、前記超音波透過パッドアセンブリ が前記分析位置で流動性製品を入れた容器と接触するように配置されており、前 記超音波透過パッドアセンブリが上部と下部をもち、前記超音波透過パッドアセ ンブリは、前記下部が前記コンベヤーアセンブリにより前記分析位置まで送達さ れた流動性製品を入れた容器と接触する前に前記上部が前記コンベヤーアセンブ リにより前記分析位置まで送達された流動性製品を入れた容器と接触するように 配置されている前記装置。 ２．前記コンベヤーベルトが流動性製品を入れた容器を前記振 動器から前記分析位置まで第１の方向に送達し、前記装置が更に前記分析位置に 近接して配置された第１のピストンを含み、前記第１のピストンが前記分析位置 にある流動性製品を入れた容器を第２の方向に移動させるように構成されており 、前記第２の方向が前記第１の方向と逆方向であり、前記第１のピストンが流動 性製品を入れた容器を前記超音波透過パッドアセンブリから離れた位置まで移動 させるように構成されている請求項１に記載の流動性製品の分析装置。 ３．前記装置が更に前記分析位置に近接して配置された第２のピストンを含み、 前記第２のピストンが流動性製品を入れた容器を前記コンベヤーベルトから引き 離すように構成されている請求項１に記載の流動性製品の分析装置。 ４．流動性製品の分析装置であって、前記装置が、 流動性製品を入れた容器を分析位置まで送達するためのコンベヤー手段と、 前記分析位置で流動性製品を入れた容器と接触するように配置された超音波トラ ンスデューサーアセンブリを含み、前記超音波トランスデューサーアセンブリが 上部と下部をもち、前記超音波トランスデューサーアセンブリは、前記下部が前 記コンベ ヤー手段により前記分析位置まで送達された流動性製品を入れた容器と接触する 前に前記上部が前記コンベヤー手段により前記分析位置まで送達された流動性製 品を入れた容器と接触するように配置されている前記装置。 ５．前記コンベヤー手段が流動性製品を入れた容器を前記分析位置まで第１の方 向に送達し、前記装置が更に前記分析位置に近接して配置された第１の容器移動 手段を含み、前記第１の容器移動手段が前記分析位置にある流動性製品を入れた 容器を第２の方向に移動させるように構成されており、前記第２の方向が前記第 １の方向と逆方向であり、前記第１の容器移動手段が流動性製品を入れた容器を 前記超音波トランスデューサーアセンブリから離れた位置まで移動させるように 構成されている請求項４に記載の流動性製品の分析装置。 ６．前記第１の容器移動手段がピストンを含む請求項５に記載の流動性製品の分 析装置。 ７．前記第１の容器移動手段がロボットを含む請求項５に記載の流動性製品の分 析装置。 ８．前記コンベヤー手段がコンベヤーベルトを含む請求項４に記載の流動性製品 の分析装置。 ９．前記コンベヤー手段が振動器を含む請求項４に記載の流動性製品の分析装置 。 １０．前記コンベヤー手段が流動性製品を入れた容器を前記分析位置まで輸送す るように構成されたロボットを含む請求項４に記載の流動性製品の分析装置。 １１．前記コンベヤー手段が容器に入れた流動性製品を振動させるように構成さ れたロボットを含む請求項４に記載の流動性製品の分析装置。 １２．前記装置が更に前記分析位置に近接して配置された第２の容器移動手段を 含み、前記第２の容器移動手段が流動性製品を入れた容器を前記コンベヤー手段 との接触から引き離すように構成されている請求項４に記載の流動性製品の分析 装置。 １３．前記第２の容器移動手段がピストンを含む請求項１２に記載の流動性製品 の分析装置。 １４．前記第２の容器移動手段がロボットを含む請求項１２に記載の流動性製品 の分析装置。 １５．前記装置が更に前記超音波トランスデューサーアセンブリに接続された処 理ユニットを含み、前記処理ユニットが流動性液体を入れた容器から前記超音波 トランスデューサーアセン ブリにより受信される超音波パターンを分析するように構成されている請求項４ に記載の流動性製品の分析装置。 １６．流動性製品の分析方法であって、 流動性製品を入れた容器を準備する段階と、 流動性製品を入れた前記容器を振動させるための振動器を準備する段階と、 流動性製品を入れた前記容器を前記振動器から分析位置まで搬送するためのコン ベヤーアセンブリを準備する段階と、 内側にチャンバーを規定するパッドと、超音波トランスデューサーと、前記パッ ドにより規定される前記チャンバーに収容される液体音響結合体を含み、前記超 音波トランスデューサーが前記液体音響結合体と超音波接触し、前記パッドが上 部と下部をもつように構成した超音波透過パッドアセンブリを準備する段階と、 流動性製品を入れた前記容器の前記ユニットが前記分析位置にあるときに前記パ ッドが流動性製品を入れた前記容器と物理的に接触するように、前記超音波透過 パッドアセンブリを前記分析位置に近接して配置し、前記パッドの前記下部が液 体製品の前記ユニットと接触する前に前記パッドの前記上部が液体製品 の前記ユニットと接触するように前記超音波透過パッドアセンブリを配置する段 階と、 前記超音波透過パッドアセンブリにより受信される超音波パターンを分析するた めの処理ユニットを準備する段階と、 流動性製品を入れた前記容器を前記振動器に入れる段階と、 前記振動器を使用して流動性製品を入れた前記容器を振動させる段階と、 前記コンベヤーアセンブリを使用して流動性製品を入れた前記容器を前記振動器 から前記分析位置まで送達する段階と、 前記超音波透過パッドアセンブリを使用して流動性製品を入れた前記容器を超音 波分析する段階と、 前記処理ユニットを使用して前記超音波透過パッドアセンブリにより受信される 超音波パターンを分析する段階を含む前記方法。 １７．前記方法が更に、 前記分析位置にある流動性製品を入れた前記容器を前記超音波透過パッドアセン ブリから引き離すように構成された第１のピストンを準備する段階と、 流動性製品を入れた前記容器を前記コンベヤーアセンブリから 引き離すように構成された第２のピストンを準備する段階と、 前記第１及び第２のピストンを前記分析位置に近接する位置に配置する段階と、 前記超音波透過パッドアセンブリを使用して液体製品の前記ユニットを超音波分 析した後に前記第１のピストンを駆動し、液体製品の前記ユニットを前記超音波 透過パッドアセンブリから引き離す段階と、 前記第１のピストンを駆動した後に前記第２のピストンを駆動し、液体製品の前 記ユニットを前記第２のピストンアセンブリにより前記コンベヤーアセンブリか ら引き離す段階を含む請求項１６に記載の方法。