JP2010504535A - 材料を検査するためのマイクロ波装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、材料（１５０）に放射するための搬送周波数Ｆｐの電磁信号を送信するための手段（１１０）と、電磁信号を受信するための手段（１３０）とを少なくとも備える、材料（１５０）を検査するための装置（１００）であって、送信された電磁信号を空間的に標本化するために、送信手段（１１０）と材料（１５０）との間の信号経路に設けられている、電磁信号を周波数Ｆｍ１で変調するための第１変調手段と、材料（１５０）を通過した電磁信号を空間的に標本化するために、材料（１５０）と電磁信号受信手段（１３０）との間の信号経路に設けられている、電磁信号を周波数Ｆｍ２で変調するための第２変調手段（１４０）とをさらに備えることを特徴とする装置に関する。

Description

本発明は、材料を検査するための装置に関するものである。さらに、本発明は、この装置を使用する方法に関するものである。

本発明の装置は、様々な用途に使用することができる。

特に、本発明に係る装置によれば、材木、紙、岩もしくはグラスウール、ガラス、プラスチック、農産物加工品、又は放射素子などのような完全には金属でできていない材料の検査が可能となる。

このようなタイプの材料について、この装置によれば、特に、材料物理特性（密度、湿度）の測定、又は、検査した材料の欠陥（空洞、含有物など）の検出さえ可能になる。

工業生産ラインにおいて材料を検査するには、大抵の場合は無侵襲の高速な装置を使用する必要がある。このような無侵襲の装置は、例えば、Ｘ線、ガンマ、及び、赤外線もしくは超音波の装置などが知られており、これらの装置の各々にはその独自の特定の用途がある。

これらの装置の性能を向上させるため、各装置が単独で有する利点を少なくとも得られるように、装置を組み合わせることが提案されている。

しかしながら、現行の技術は、非金属材料に適用するには、たとえ特に電磁波を基礎とする装置の使用によって一定の利点（特に、非金属材料の内部への電磁波の本質的浸透）が提供されるとしても、工業的用途に関して依然として制限されている。

実際、このような工業的用途には、検査しようとする材料が生産ラインに沿って進む速度率を考慮し、且つ、材料の広い部分を検査する必要性を考慮したリアルタイム測定が必要である。

本発明の目的は、上述の制限を改善することである。

より正確には、本発明の第１目的は、完全には金属でできていない材料を検査することのできる装置を提供することである。

本発明の他の目的は、材料のリアルタイム検査を実施することのできる装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、材料の大部分に亘る検査を可能にすることである。

本発明のまた他の目的は、全タイプの生産ラインに簡単に適合可能な、簡単に設置されるモジュール式装置を提供することである。

このため、本発明の主題は、材料に放射するための搬送周波数Ｆｐの電磁信号を送信するための手段と、電磁信号を受信するための手段とを少なくとも備える、材料を検査するための装置であって、送信された電磁信号を空間的に標本化するために、送信手段と材料との間の信号経路に設けられている、電磁信号を周波数Ｆｍ１で変調する第１変調手段と、材料を通過した電磁信号を空間的に標本化するために、材料と電磁信号受信手段との間の信号経路に設けられている、電磁信号を周波数Ｆｍ２で変調するための第２変調手段とをさらに備えることを特徴とする装置を提供することである。

図１は、伝送モードで材料を検査するための装置の概略図である。 図２は、本発明に係る材料を検査するための装置のブロック図である。 図３は、反射モードで本発明に係る材料を検査するための装置の概略図である。 図４は、変調素子を有するセンサの概略図である。 図５は、図４に基づく変調素子を有するセンサのアレイの図である。

本発明は、添付の図面を参照しながら、制限を意図するものではない以下の説明を読むことで、理解するのがより簡単になり、その他の対象、目的、及び利点が明らかになるであろう。

１．伝送モードで材料を検査するための装置
図１及び図２に、材料（material）１５０を検査（controlling）するための、伝送構成の装置１００を示す。

この検査装置１００は、
検査しようとする材料１５０に放射するための搬送周波数Ｆｐの電磁信号の送信手段１１０、
材料１５０から受信した電磁信号の周波数Ｆｍ２での変調手段１４０、
変調により作成された電磁信号の受信手段１３０の形態をとる。

変調手段１４０は、材料１５０と変調により作成される電磁信号の受信手段１３０との間の信号経路に設けられている。

一方では送信手段１１０が、そして、他方では変調手段１４０及び受信手段が、検査しようとする材料１５０の両側に、変調手段１４０がこの材料１５０を通過した後の伝送された信号を受信するように、それぞれ設けられている。

ａ．送信手段
送信手段１１０は、搬送周波数Ｆｐの電磁信号を送信するための隣接した送信アンテナのアレイを備えている。この信号は、より正確には電磁平面波である。周波数Ｆｐは、マイクロ波周波数の領域内にある。

これらのアンテナは、パッチアンテナであることが好ましい。

ｂ．変調手段
変調手段１４０は、材料１５０に対向して配置されたセンサ２００のアレイを有し、これらのセンサ２００は、送信手段１１０によって送信される信号の伝播方向に対して垂直な共通の面に並べられている。

変調手段の役割は、材料１５０を通過した電磁信号を空間的に標本化してセンサ２００と同じだけの個数の独立した信号にするために、変調周波数Ｆ２で電磁場を局所的に擾乱（disturb）させることである。

空間的な分離のための変調素子を集積しているセンサ２００は、図４及び図５に関係してより詳しく説明される。

さらに、本発明の他の一実施形態は、変調周波数Ｆｍ２，Ｆｍ２−１，Ｆｍ２−２…Ｆｍ２−ｉ（ただし、「ｉ」はｎ番目のセンサに相当する）を生成する変調手段を提案する。

ｃ．受信手段
また、受信手段１３０は、送信アレイのアンテナと同タイプであるか、又は、同一でさえあることが好ましい、並んだ受信アンテナのアレイを有している。

受信アンテナのアレイは、空間変調のセンサ２００のアレイの後ろに配置されている。

受信アンテナのこのアレイは、搬送周波数の信号と、変調により生じる変調された周波数Ｆｐ±Ｆｍの信号とを集めるためのものである。

受信手段１３０の実施形態の一変形例では、受信アンテナのアレイ、及び、空間変調のセンサ２００のアレイが、集積受信アンテナと集積空間変調センサとをそれぞれ含む独立した素子のアレイとして設けられていてもよい。

ｄ．検査装置の他の要素
図２から分かるように、装置は、周波数Ｆｍ２で変調された信号を逆多重化するための手段１８０をさらに有している。この逆多重化手段（demultiplexing means）１８０は、異なるセンサ２００をアドレシングする機能を果たす。換言すれば、逆多重化手段１８０により、受信手段１３０は、センサ２００からもたらされる異なる信号の発信元を識別できるようになる。

この逆多重化手段は、時間的又は空間的逆多重化手段であってもよい。

時間的逆多重化では、異なるセンサ２００へ向けて変調信号を連続的に配信することによって、識別が行われる。

空間的逆多重化では、異なる変調周波数Ｆｍ、又は、１セットの直交変調をアレイの各センサ２００に同時に割り当てることによって、識別が行われる。

装置は、受信手段１３０によって受信された搬送周波数Ｆｐ及び変調された周波数Ｆｐ±Ｆｍの信号の濾波手段１９０と、増幅手段１９１とをさらに備えている。

より正確には、濾波手段１９０は、変調された信号が増幅される前に搬送周波数Ｆｐが除去されるようにカットオフ周波数及び帯域幅が調整された帯域通過フィルターを有している。

したがって、材料１５０を通過したビームを集める受信器１６３の機能の有効ダイナミックレンジは、通例は選択された搬送周波数Ｆｐのレベルよりも６０から８０ｄＢ下のレベルを有する周波数Ｆｐ±Ｆｍで変調された信号に基づいて更新される。

濾波手段１９０により、受信器１６３が搬送周波数Ｆｐの信号によって飽和されないようにすることができ、これにより、装置のよりいっそう良好なダイナミックスを得ることができる。

多重搬送周波数の装置では、搬送周波数の各々を中心とし、周波数帯に沿って動く、例えばイットリウム・鉄・ガーネットＹＩＧフィルターなどのフィルターを使用することができる。

さらに、増幅手段１９１は、低雑音増幅器を備えている。なお、この低雑音増幅器は、濾波された信号を受信し、この信号が受信器１６３によって集められる前にこの信号を増幅するためのものである。

最後に、装置は、特定のユニット１６１，１６２，１６３と通信するプロセッサ１７０を備えている。特定のユニット１６１，１６２，１６３は、それぞれ、送信手段１１０、逆多重化手段、及び変調された電磁信号の実部及び虚部を測定するための受信手段１３０に接続された受信器１６３の段階での信号の伝送（transmission）を管理するよう意図される。

プロセッサ１７０は、同様に、送信手段１１０によって送信された電磁信号の擾乱検出（disturbance detection）を改善するために、受信器１６３からの実信号及び虚信号を処理するための手段を備えている。

プロセッサ１７０は、さらに、検査した材料１５０のイメージの処理後表示のための表示手段を備えている。なお、このイメージは、変調の結果得られる信号に基づいて作成されるものである。

ｅ．検査装置の動作原理
このような手段では、検査しようとする材料（material to be controlled）１５０に放射するために電磁信号が周波数Ｆｐで送信されるプロセスを使用することができる。

さらに、送信手段１１０によって電磁信号が一旦送信されたら、この電磁信号は、検査しようとする材料１５０に伝播する。

材料１５０の僅かな不均一性、又は、その密度、湿度もしくは温度における差異は、材料１５０において伝播される電磁場の性質を変更する可能性がある。

同様に、欠陥があると、欠陥の誘電特性又は磁気特性が材料１５０の誘電特性又は磁気特性とは異なるため、材料１５０に伝播される電磁信号が欠陥の場所において擾乱を受ける。

このように変化を受けた信号は、変調手段１４０のアレイのセンサ２００によって受信される。

その後、そのセンサ２００の各々において、材料１５０から出された電磁信号は、変調周波数Ｆｍ２で変調される。続いて、各センサ２００から出された変調信号は、受信手段１３０のアンテナによって受信される。

このように、既に変調された信号を受信手段１３０の段階で受信した後、どのセンサ２００が擾乱を受けた信号を検出したかを認識することができる。この特定のセンサ２００が、材料１５０の局在ゾーンに対応するであろう。

変調され、受信手段１３０によって受信されたこれらの信号は、次に、濾波され、増幅され、検査しようとする材料１５０のイメージを得るために処理される。

材料１５０のゾーンにおける欠陥の存在により引き起こされる電磁信号の擾乱は、１つ又は複数の特定のセンサ２００におけるイメージ上で見えるので、欠陥の場所を特定することができるようになる。

同様に、材料１５０における不均一性、又は、密度、湿度もしくは温度の差異が装置によって検出される。

また、装置の放射部分が反対である図１の他の一実施形態では、受信手段１３０のアンテナにより送信を行い、送信手段１１０のアンテナにより受信を行ってもよい。

ｆ．二重変調検出装置
図１の装置に、送信手段１１０によって送信される信号を変調周波数Ｆｍ１で変調するための手段を追加してもよい。

この変調周波数Ｆｍ１は、材料１５０によって受信される電磁信号の変調周波数と同じであってもよいし、又は、異なっていてもよい。

これらの手段は、上述の変調手段１４０に類似し、図４及び図５に関連して説明される。

また、本発明の実施形態の一変形例は、変調Ｆｍ１，Ｆｍ１−１，Ｆｍ１−２…Ｆｍ１−ｉ（ただし、「ｉ」はｎ番目のセンサに相当する）をもたらす変調手段を提案する。

この変調手段は、送信手段１１０と被分析材料１５０との間の信号経路に配置されている。

変調手段は、送信手段１１０によって送信された電磁信号を空間的に標本化して変調手段のアレイにおけるセンサと同じだけの個数の信号にする。

搬送周波数Ｆｐの電磁信号の二重変調はこのようにして得られる。

電磁信号の各送信点について、材料を通過した信号は、変調手段１４０のアレイのセンサ２００の集合体によって受信される。

したがって、センサに集められた信号は、材料１５０を通過した電磁信号の異なる経路に対応している。

したがって、２つのアレイの全てのセンサ間の材料１５０を通過する電磁信号の経路の集まりは、２点間で測定される。

これにより、分析された材料１５０のマルチスタティック断層像を獲得し、且つ、高品質の再構成イメージを得ることができる。

２．反射モードで材料を検査するための装置
図３は、反射モードにおける材料１５０の検査装置を示す。動作の手段及び論理は、伝送モードにおける検査装置と同じである。

違いは、主に、送信手段１１０、変調手段１４０、及び受信手段１３０の配置である。

反射モードでは、一方では送信手段１１０が、そして、他方では変調手段１４０及び受信手段１３０が、検査しようとする材料１５０の同じ側に、変調手段１４０が材料１５０によって反射された信号を受信するように設けられている。

この装置は、二重伝送で動作するという利点を提供する。なぜなら、このモードでは、搬送周波数の電磁信号が、検査される材料１５０を２回通過するからである。このような装置は、測定しようとする材料１５０の一方の面にアクセスすることができない場合、又は、試験しようとする材料１５０が金属表面を有している場合に有利である。

一実施形態では、反射を改善するために、金属板を、送信手段１１０、変調手段１４０、及び受信手段１３０とは反対側の検査しようとする材料１５０の後ろに設けてもよい。

３．センサのアレイ
図４に示す空間変調のセンサ２００は、４つの主要な要素、すなわち、放射配線２２０、非線形電子部品２３０、供給配線２４０、及び基板２１０の集まりからなる。

センサ２００の動作の原理を、材料１５０と受信手段１３０との間の信号経路に配置された変調手段１４０のセンサ２００について説明する。説明は以下の通りである。

センサ２００の放射配線２２０は、材料１５０を通過した搬送周波数Ｆｐの電磁信号をピックアップする。

この配線２２０は、さらに、非線形電子部品２３０によって充電される。なお、非線形電子部品２３０自体は、変調周波数Ｆｍ２の信号を活用して分極されているものである。

よって、配線２２０は、周波数Ｆｐ±Ｆｍ２で変調された信号、つまり、受信手段１３０によって受信されることとなる信号を生成する。

より正確には、各センサ２００は、非線形電子部品２３０の各側にそれぞれ接続された２つの放射配線２２０を備えている。

非線形電子部品２３０は、電気（electric）又は光電ダイオード（photoelectric diode）であることが好ましい。

また、非線形電子部品は、サーミスタなどの温度に敏感な非線形電子部品であってもよい。

センサ２００の変調の有効性は、ダイオードのオン状態とオフ状態との間の対比に直接関連している。

２本の放射配線２２０は、長方形の区画の形態であることが好ましい。一変形例では、放射配線２２０は他の形態であってもよい。

配線２２０のサイズは、波長に比べて小さいことが好ましい。

なお、配線２２０の表面が増大するにつれて、周波数Ｆｐ±Ｆｍ２で変調された電磁信号の振幅が大きくなる。

さらに、配線２２０は、送信手段１１０のアンテナのアレイの分極の方向に関して決定された角度構成で配置されている。配線の長手方向とアンテナのアレイの分極の方向との間に形成される角度αは、０°と１８０°との間であり得る。

配線２２０は、送信手段１１０のアンテナのアレイの分極の方向に関してα＝４５°で配置されていることが好ましい。

これは、アレイの異なるセンサ２００間のスペースが低減されるという利点を提供し、その結果、センサ２００の密度が増大し、それにより、図５に関連して以下で説明されるように、装置１００の空間解像度が改善される。

したがって、配線２２０の形態を調整し、又は、配線２２０の長さ若しくは幅を増減し、且つ、配線２２０の配置を送信手段１１０のアンテナのアレイの分極に従って調整することにより、複数の構成を放射配線２２０のために採用することができる。

各センサ２００は、さらに、非線形電子部品２３０に供給を行う２本の供給配線２４０を有している。これらの供給配線２４０は、送信手段１１０のアンテナのアレイの分極の方向に対して垂直に配置されていることが好ましい。

このことは、供給配線２４０が入射電磁場に及ぼす影響を低減するという利点を提供する。

また、供給配線２４０と配線２２０とが、送信アンテナのアレイの分極の方向に対してそれぞれ垂直及びα＝４５°に配置されている構成により、供給配線２４０に沿って、そして、特に変調周波数Ｆｍ２の信号の通過は保証しつつ、配線における周波数Ｆｐで生成された信号を遮断するためのローパスフィルタに沿って、濾波手段を自由に使用できるようになる。

さらに、その他の素子の集まりが設けられている基板２１０は、フレキシブルなものでも、固いものでもよい。基板２１０は、最小の厚みの他に誘電特性を備えていることが有利であり、これにより、界面での反射を制限し、入射電磁信号の振幅における損失を低減することができる。

基板２１０がフレキシブルなものである場合は、センサ２００のアレイの整合した構成が可能である。例えば、センサ２００の円形タイプのアレイは、例えば、管に沿って進む材料に検査を適合させることができる。

センサ２００に集積された変調素子２３０は、電子光学部品の非線形電気部品であることが好ましい。

供給配線２４０は、プリント電気配線又は非プリント電気配線でもよく、一方、電子光学センサでは、供給配線２４０は、光ファイバー又はレーザービームによって代替される。

図５は、図４に関連して説明されるセンサ２００と同じセンサのアレイを示す。

アレイの長さは、検査しようとする材料１５０を全体的に検査できるように、検査しようとする材料１５０の幅以上であるほうがよい。

アレイのセンサ２００は、好ましくは規則的に間隔が開けられている。より具体的には、センサ２００は、所定の距離Ｄの間隔が開いており、これにより、装置の空間的な解像度を定義することができる。

実際、距離Ｄが短ければ短いほど、センサ２００によって解析される材料１５０のゾーンの幅は狭くなる。

さらに、アレイ状に設けられたセンサ２００は、送信手段１１０のアンテナのアレイの分極に関して、異なる寸法と角度位置とをそれぞれ有していてもよい。

この実施形態の一変形例は、センサ２００の配線２２０を送信手段１１０のアンテナのアレイの分極の方向に関してα＝＋４５°及びα＝−４５°に方向付けて、センサ２００を連続的に配置することを可能にする。

これにより、入射電磁場の２つの構成要素を測定する他に、センサ２００のアレイに対して二極性を生成できるようになる。

この実施形態のさらに他の一変形例は、例えばセンサの配線２２０を充電することにより直列に配置された複数の非線形電子部品２３０の配置の使用に備えたものである。

さらに、この実施形態のさらに他の一変形例は、複数の非線形電子部品２３０の配置により充電される、センサの配線２２０の断片化に備えたものである。

また、この実施形態のさらに他の一変形例により、送信手段１１０のアンテナのアレイの分極とは異なる２つの角度位置を有する２つのセンサ２００を積み重ねることができる。これにより、同じ場所で入射電磁場の２つの構成要素を測定することの他に、形成された広域センサ２００の二極性を生成することもできるようになる。

最後に、この実施形態のさらに他の一変形例によれば、送信手段、及び／又は、受信手段としての二極性化されたアンテナを、材料の欠陥の旋光測定を実施できるように、二極性化されたセンサと組み合わせて使用してもよい。

Claims (16)

1. 材料（１５０）に放射するための搬送周波数Ｆｐの電磁信号を送信するための手段（１１０）と、前記電磁信号を受信するための手段（１３０）とを少なくとも備える、前記材料（１５０）を検査するための装置（１００）であって、
   前記送信された電磁信号を空間的に標本化するために、前記送信手段（１１０）と前記材料（１５０）との間の信号経路に設けられている、前記電磁信号を周波数Ｆｍ１で変調するための第１変調手段と、
   前記材料（１５０）を通過した前記電磁信号を空間的に標本化するために、前記材料（１５０）と前記電磁信号受信手段（１３０）との間の信号経路に設けられている、前記電磁信号を周波数Ｆｍ２で変調するための第２変調手段（１４０）とをさらに備えることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、
   前記第１及び第２変調手段（１４１，１４０）は、空間変調のセンサ（２００）のアレイを有し、
   各センサ（２００）は、非線形電子部品又は非線形電子部品（２３０）のアレイにより形成され、前記非線形電子部品は、所望の変調周波数Ｆｍで供給され、且つ、該部品にそれぞれ接続された２本以上の放射配線（２２０）を充電することを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置において、
   各センサ（２００）は、前記非線形電子部品（２３０）に供給を行う２本の供給配線（２４０）を有し、
   前記供給配線（２４０）は、前記送信手段（１１０）の分極の方向に対して垂直に配置されていることを特徴とする装置。
4. 請求項２から３のいずれか１つに記載の装置において、
   前記非線形電子部品（２３０）は、電子ダイオード、光電ダイオード、又は、サーミスタであり、
   前記供給配線（２４０）は、プリントもしくは非プリントの電気配線、又は、光ファイバーでもよいことを特徴とする装置。
5. 請求項２から４のいずれか１つに記載の装置において、
   前記センサ（２００）は、電気ダイオード、光電ダイオード、又は、サーミスタタイプなどの非線形要素によって充電される電気双極子であることを特徴とする装置。
6. 請求項２から５のいずれか１つに記載の装置において、
   アレイの前記センサ（２００）は、規則的に間隔が開いていることを特徴とする装置。
7. 請求項６に記載の装置において、
   各アレイの全てのセンサ（２００）は、前記材料（１５０）に対向して、前記送信手段（１１０）によって送信される前記信号の伝播方向に対して垂直な共通の面に１つ又は複数の列で並べられていることを特徴とする装置。
8. 請求項６から７のいずれか１つに記載の装置において、
   各センサ（２００）は、前記送信手段（１１０）の分極の方向に対して±４５°に配置された前記放射配線（２２０）を有していることを特徴とする装置。
9. 前記請求項のいずれか１つに記載の装置において、
   一方では前記送信手段（１１０）が、そして、他方では前記第２変調手段（１４０）及び前記受信手段（１３０）が、前記材料（１５０）の両側に、前記第２変調手段（１４０）が前記材料（１５０）を通して伝送された前記信号を受信するように、それぞれ設けられていることを特徴とする装置。
10. 請求項１から８のいずれか１つに記載の装置において、
    一方では前記送信手段（１１０）が、そして、他方では前記第２変調手段（１４０）及び前記受信手段（１３０）が、前記材料（１５０）の同じ側に、前記変調手段（１４０）が前記材料（１５０）によって反射された前記信号を受信するように設けられていることを特徴とする装置。
11. 前記請求項のいずれか１つに記載の装置において、
    前記送信手段（１１０）及び前記受信手段（１３０）は、同タイプのアンテナのアレイをそれぞれ有することを特徴とする装置。
12. 前記請求項のいずれか１つに記載の装置において、
    前記第２変調手段（１４０）へ向けて前記変調信号を逆多重化するための手段（１８０）を備えることを特徴とする装置。
13. 前記請求項に記載の装置において、
    前記逆多重化手段（１８０）は、時間的又は空間的逆多重化手段であることを特徴とする装置。
14. 前記請求項のいずれか１つに記載の装置において、
    前記受信手段（１３０）によって受信された信号を濾波するための手段（１９０）をさらに備えることを特徴とする装置。
15. 請求項２から１４のいずれか１つに記載の装置において、
    前記センサ（２００）は、前記センサ（２００）の各アレイを形成させることのできるフレキシブル基板を有することを特徴とする装置。
16. 材料（１５０）を検査するための方法であって、
    電磁信号を、前記材料（１５０）に放射するために周波数Ｆｐで送信し、
    前記送信された電磁信号を、前記材料（１５０）に達する前に、変調周波数Ｆｍ１で変調し、
    前記材料（１５０）からの前記電磁信号を、変調周波数Ｆｍ２で変調して受信し、
    前記変調の結果生じる信号に基づいて、前記材料（１５０）のイメージを得ることを特徴とする方法。

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