JP2012185096A - 状態判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体の状態を高精度に判定することができる。
【解決手段】状態判定装置は、送信部、受信部、算出部、および判定部を含む。送信部は、超音波を被検体に射出する。受信部は、前記送信部と対向して配置され、複数の素子を含み、該素子ごとに前記超音波を受信して受信信号を得る。算出部は、前記受信部の前記素子ごとの受信信号の強度を算出する。判定部は、前記強度が規定値よりも小さいかどうかを判定する。前記送信部は、前記受信部との対向面に垂直な第１方向に前記超音波を射出する第１部分と、前記送信部を被検体の搬送方向から見た場合の、該送信部の少なくとも一端に沿って設けられ、前記第１方向と角度を成し、かつ前記送信部の中心側に対して、前記送信部を前記搬送方向から見た場合の外側を向いた第２方向に超音波を射出する第２部分とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、被検体の状態を判定する状態判定装置に関する。

近年、紙幣の監査機や分類集計機では、破損の補修のためテープが貼られている紙幣は流通に適さないことから、テープのような異物の有無を検出して分別する手法がある。この手法では、複数個配置された超音波送受信器を用いて超音波を射出し、紙幣などの被検体を透過する透過波の強度を測定し、他の超音波送受信器よりも受信強度が低い部分に、異物が存在すると判定する。

特開２００８−２０７８８５号公報 欧州特許出願公開２００８−０８１１８３号明細書

一般に、このような超音波を用いた検出手法では、通常は搬送される紙幣の位置ずれを考慮して、超音波送受信器の寸法を紙幣寸法より大きく設計する。このため、紙幣の側面端では紙幣を透過しない高強度の超音波が回折して近接する受信器に到達し、出力レベルを変動させてしまい、誤った判定結果が得られてしまうという問題がある。

本開示は、被検体の状態を高精度に判定することができる状態判定装置を提供することを目的とする。

本実施形態に係る状態判定装置は、送信部、受信部、算出部、および判定部を含む。送信部は、超音波を被検体に射出する。受信部は、前記送信部と対向して配置され、複数の素子を含み、該素子ごとに前記超音波を受信して受信信号を得る。算出部は、前記受信部の前記素子ごとの受信信号の強度を算出する。判定部は、前記強度が規定値よりも小さいかどうかを判定する。前記送信部は、前記受信部との対向面に垂直な第１方向に前記超音波を射出する第１部分と、前記送信部を被検体の搬送方向から見た場合の、該送信部の少なくとも一端に沿って設けられ、前記第１方向と角度を成し、かつ前記送信部の中心側に対して、前記送信部を前記搬送方向から見た場合の外側を向いた第２方向に超音波を射出する第２部分とを有する。

本実施形態に係る状態判定装置を示すブロック図。 本実施形態に係る状態装置の送信部および受信部と被検体との配置例を示す図。 （ａ）本実施形態に係る送信部の全体図と、（ｂ）送信部および受信部における各素子の構成例を示す図。 （ａ）従来例において受信される超音波の一例と、（ｂ）本実施形態に係る状態判定装置において受信される超音波の一例を示す図。 実施形態の状態判定装置により検出される受信信号の別例を示す図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る状態判定装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。
本実施形態の状態判定装置について図１のブロック図を参照して説明する。
本実施形態の状態判定装置１００は、送信制御部１０１、送信部１０２、受信部１０３、増幅部１０４、Ａ／Ｄ変換部１０５、算出部１０６、判定部１０７を含む。
送信制御部１０１は、超音波の送信タイミングなどを制御する制御信号を生成する。
送信部１０２は、送信制御部１０１から制御信号を受け取り、超音波を発生して被検体に向けて射出する。超音波の発生には、圧電トランスデューサ、ＭＥＭＳを用いた振動発生器などを用いればよい。本実施形態では、圧電トランスデューサとして、圧電体と樹脂との１−３型複合圧電体の厚み振動を用いる。厚み振動を用いることにより、送信部１０２全体から同位相の平面波として超音波を被検体１５０に射出することができるので、超音波の指向性が高くなる。超音波の射出間隔は、一定間隔ごとでもよいし、被検体１５０の測定箇所ごとに１度だけ射出してもよい。

受信部１０３は、複数の受信素子を含み、各受信素子が送信部１０２から射出された超音波を受け取り、電気信号に変換してそれぞれ受信信号を得る。このとき受信部１０３で受信する超音波は、被検体１５０を透過した超音波である透過波、被検体１５０を透過しない超音波である直接波および回折波、またはこれらが重畳された波を含む。なお、受信部１０３として、送信部１０２と同じトランスデューサ、または振動を変位として計測する干渉光を用いた変位計などを用いればよい。
増幅部１０４は、例えばオペアンプであり、各受信部１０３から受信信号をそれぞれ受け取り、受信信号をそれぞれ増幅する。
Ａ／Ｄ変換部１０５は、増幅部１０４から増幅された受信信号を受け取り、受信信号ごとにアナログ−デジタル変換をおこなってデジタル化された受信信号を生成する。
算出部１０６は、Ａ／Ｄ変換部１０５からデジタル化された受信信号を受け取り、デジタル化された受信信号の信号強度を受信信号ごとに算出する。なお、信号強度は、電流値、電圧値、および電力値などのいずれかの値を計測すればよい。

判定部１０７は、算出部１０６から受信信号ごとの信号強度を受け取り、信号強度に基づいて被検体の状態を判定する。例えば、判定部１０７は予め定められた規定値と受け取った信号強度とを比較し、受け取った信号強度が規定値よりも小さいかどうかを判定する。

被検体１５０は、例えば紙幣またはカードなどの紙葉類であり、送信部１０２と受信部１０３とが対向して配置される間の領域に、搬送ローラ、ベルトなどの搬送部により同一方向に搬送される。
ここで、被検体１５０の検査は、被検体が送信部１０２と受信部１０３との間を通過する間に射出される超音波によりおこなわれる。したがって、送信部１０２と受信部１０３との距離は、送信部１０２と受信部１０３との間に被検体１５０が挿入可能であって、受信部１０３が透過波を受信可能な距離であればよい。

なお、送信部１０２と受信部１０３とは、被検体１５０を搬送する面（以下、搬送面ともいう）に垂直な方向に配置するよりも、図１に示すように搬送面に対して傾けて配置する方が望ましい。このようにすることで、受信部１０３における受信信号の信号強度を高めることができる。

次に、送信部１０２および受信部１０３と被検体１５０との配置の一例について図２を参照して説明する。
図２に示すように、本実施形態に係る送信部１０２と受信部１０３とは、被検体１５０が搬送されるときの位置ずれを考慮して、被検体１５０の搬送面において搬送方向（第３方向）に直交する方向の長さが、被検体１５０の幅よりも長くなるように設計される。
また、受信部１０３として、受信素子２０１を列状に複数個配置した受信アレイ２０２を用いる。このような受信アレイ２０２を用いることで、被検体１５０の状態判定の際に各受信素子２０１を各チャネルとみなすことができ、受信素子２０１の延長上にある被検体１５０の一部の領域ごとの信号強度に基づいて、部分的に被検体１５０の状態を判定することができる。例えば、信号強度が低い受信信号は、超音波が被検体１５０に吸収される量が多いことを示すので、受信信号を得た受信素子２０１の延長上にある被検体１５０の一部の領域は厚みが厚いと判定できる。一方、信号強度が高い受信信号は、超音波信号が被検体１５０に吸収される量が少ないことを示すので、被検体１５０の一部の領域は厚みが薄いと判定する。従って、例えば判定部１０７が受信信号の強度が規定値よりも小さいと判定した場合には、被検体１５０の厚みが規定値に対応する被検体１５０の厚みよりも厚いことを意味する。

ここで、本実施形態に係る送信部１０２は、搬送方向から見て、被検体１５０の搬送方向に直交する方向に、Ｌ１、Ｌ２およびＬ３の３つの部分に分割される。送信部１０２のＬ１の部分は対向する受信部１０３と逆向きであり、Ｌ１の部分と受信部１０３の向きと垂直を成す面を対向面とする。Ｌ１の部分（第１部分ともいう）は、受信部１０３との対向面から垂直な方向（第１方向）に超音波を射出する。Ｌ２およびＬ３の部分（第２部分ともいう）は、被検体１５０の端部付近に射出される超音波の回折波の強度が、垂直な方向に超音波が射出される場合よりも低くなるように超音波を射出する。すなわち、Ｌ２およびＬ３の部分は、図２に示すような搬送方向から送信部１０２を見た場合、送信部の一端に沿って設けられ、第１方向と角度θ（θは任意の正数）を成す第２方向に超音波を射出する。第２方向は、搬送方向から送信部１０２を見た場合、前記送信部の中心側に対して外側を向いている。

Ｌ１は、確実に被検体１５０が通過する位置かつ受信部１０３と対向して配置され、受信部１０３の受信アレイ２０２と平行になる。
Ｌ２およびＬ３は、搬送方向からみたときの被検体１５０の端部が通過する位置のうち、最も送信部１０２の中心側にある位置と、送信部１０２の端部とにより決定される。これは、装置全体のブレなどにより、被検体１５０が常に同じ位置を通過するとは限らないからである。図２の例では、被検体１５０の右端部が送信部１０２または受信部１０３の右端部と同じ位置に寄った場合が被検体１５０の最大のぶれとなり、このときの被検体１５０の左端部が通過する位置から送信部１０２の端部までの長さを有する部分がＬ２となる。同様に、被検体１５０の左端部が送信部１０２または受信部１０３の左端部と同じ位置に寄った場合に、被検体１５０の右端部が通過する位置から送信部１０２の端部までの長さを有する部分がＬ３となる。

また本実施形態では、Ｌ２とＬ３とは、送信部１０２の中心側から送信部１０２の一端側にかけて、受信部１０３との対向面から遠ざかるように角度θを有して配置される。このように受信部１０３との対向面から遠ざかる角度θを設定することにより、被検体１５０の端部での透過波にはそれほど影響を与えずに、不要な回折波の回り込みを減少させることができる。なお、角度θは、約１度から約２度が望ましいが、５度以下程度であればよい。

なお、図２の例では、Ｌ２とＬ３とは概ね同じ長さであるが、異なる長さでもよく、被検体１５０の種類、検査環境により適宜設定すればよい。
また、送信部１０２のＬ１の部分は、製造の容易性およびコストの観点から１つの素子で形成されることが望ましいが、受信アレイ２０２のように複数の素子で形成されてもよい。また、送信部１０２のＬ２およびＬ３の部分は、１つの素子で形成してもよいが、図２に示すように複数の素子で形成されることが望ましい。Ｌ２およびＬ３の部分を複数の素子で形成することで、被検体１５０のサイズが小さくなった場合などに応じて不要な素子からの超音波の発生を停止することができる。よって、不要な素子からの回折波を抑制しつつ、さらに様々なサイズの被検体を検査することができる。

さらに、図２の例では、送信部１０２の両端であるＬ２およびＬ３の２つの部分が角度を有するように設計しているが、被検体１５０の端部が送信部１０２のどちらか一方の端部を必ず通過するように設計される場合は、送信部１０２の一方の端部のみ角度を有するように設計してもよい。

次に、具体的な送信部１０２の製造方法の一例について図３を参照して説明する。
図３（ａ）は送信部１０２および受信部１０３の全体図であり、図３（ｂ）は、送信部１０２および受信部１０３の１つの素子の拡大図である。図３（ｂ）に示すように、圧電振動子３０２の両主面に形成された電極に、予め電気配線用の配線パターンが形成されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）３０５の電極面を、導電性接着剤等を用いて接着固定する。さらにＦＰＣ３０５に音響整合層３０１を積層して超音波放射面を形成する。一方、超音波放射面とは反対の面には、ＦＰＣ３０５とバッキング材３０３とを順に接着固定し、さらにバッキング材３０３を固定台３０４に取り付ける。バッキング材３０３は、一般的に音響減衰の大きいエポキシやゴム系の樹脂が用いられ、若干の柔軟性を有するものが望ましい。
最後に、素子の分割が必要な部分を、ダイシングソー等を用いて切削加工し、素子分離を行う。切削溝には機械的強度向上のために樹脂を充填する場合もあるが、充填せず使用してもよい。通常、切削溝は素子を完全に分離するためバッキング材３０３まで切り込むことが多い。

送信部１０２両端のＬ２およびＬ３の傾斜については、角度θのクサビ状に形成した樹脂をＬ１の両端にある切削溝に挿入することで比較的容易に傾斜を与えることができる。Ｌ２およびＬ３の全素子に均等に角度θを与えるためには、Ｌ２およびＬ３の素子間の切削溝間隔を一定に保てるように変形の少ない樹脂等を充填しておくことが望ましい。または、固定台３０４とバッキング材３０３との接着面に予め角度θの傾斜を形成しておいてもよい。この場合、固定台３０４を接着せずに素子分割加工を行い、最後に素子と接着されたバッキング材３０３ごと固定台に加圧接着すると、バッキング材３０３が変形して角度θを形成することができる。

次に、送信部１０２両端のＬ２およびＬ３での角度の有無による、受信部１０３での超音波の受信状態の違いを図４および図５を参照して説明する。
図４は、送信部１０２および受信部１０３と被検体１５０との位置関係の一例を示す。受信部１０３におけるチャネル「Ｃｈ」は、それぞれ受信素子２０１に対応している。
図４（ａ）は、比較例として、送信部１０２の両端（Ｌ２およびＬ３）がＬ１と同一平面、つまり角度θを有さない場合の超音波の状態を示す。図４（ｂ）は、本実施形態に係る状態判定装置１００であり、送信部１０２の両端部に角度を設けた場合を示す。
図４（ａ）では、受信部１０３において受信する超音波として、透過波４０１、直接波４０２、および回折波４０３が考えられる。このとき、「Ｃｈ．−１」の位置の受信素子２０１は、回折波４０３の影響を強く受け、受信した信号強度が高くなる。

一方、図４（ｂ）でも、図４（ａ）と同様に、例えば「Ｃｈ．−１」において被検体１５０の端部を介する回折波４０３’が発生する。しかし、角度θを有することにより、不要な直接波４０２’または回折波４０３’を射出する素子が受信部１０３に受信されにくくなる。これにより、透過波４０１’以外の不要な直接波４０２’または回折波４０３’の影響が少なくなる。したがって、各受信部１０３において被検体１５０の状態を精度良く判定することができる。

次に、図４の構成において被検体１５０の端部付近の受信強度を測定した結果について図５を参照して説明する。
横軸は、受信部１０３の受信素子２０１の位置であり、上述した図４の「Ｃｈ」に対応する。縦軸は、受信信号の信号強度を示す。グラフ５０１は図４（ａ）の場合であり、グラフ５０２は図４（ｂ）の場合である。ここで、角度θは約１度とし、送信部１０２および受信部１０３は、被検体１５０の搬送面に垂直な方向から約４６度、被検体の搬送面に傾けて配置される。

グラフ５０１に示すように、送信部１０２における受信部１０３の対向面を平面とすると、「Ｃｈ．−１」において受信強度が急激に高くなっており、回折波４０３の影響を受けていることがわかる。

一方、グラフ５０２では、グラフ５０１と比較して、「Ｃｈ．０」と「Ｃｈ．−１」とにおいて受信信号の信号強度が低くなっており、回折波４０３の影響を低減できていることがわかる。

状態判別装置１００はさらに、判定部１０７が判定するのに用いる規定値を記憶する記憶部を備えていても良い。また、搬送手段の先の搬送方向は２つに分岐していても良い。また、状態判別装置１００は、判定部１０７によって一部の厚みが厚いと判定された被検体１５０を分岐する一方向に搬送し、他の被検体１５０を分岐する他の一方向に搬送することとができる分類手段を更に備えていても良い。

以上に示した本実施形態によれば、送信部において、被検体の端部付近に超音波を射出する部分が、受信部との対向面から遠ざかるような角度を有することで、被検体端部における回折波の影響を低減できることができ、被検体の状態を高精度に判定することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更をおこなうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００・・・状態判定装置、１０１・・・送信制御部、１０２・・・送信部、１０３・・・受信部、１０４・・・増幅部、１０５・・・Ａ／Ｄ変換部、１０６・・・算出部、１０７・・・判定部、１５０・・・被検体、２０１・・・受信素子、２０２・・・受信アレイ、３０１・・・音響整合層、３０２・・・圧電振動子、３０３・・・バッキング材、３０４・・・固定台、４０１・・・透過波、４０２・・・直接波、４０３・・・回折波、５０１，５０２・・・グラフ。

Claims (7)

1. 超音波を被検体に射出する送信部と、
   前記送信部と対向して配置され、複数の素子を含み、該素子ごとに前記超音波を受信して受信信号を得る受信部と、
   前記受信部の前記素子ごとの受信信号の強度を算出する算出部と、
   前記強度が規定値よりも小さいかどうかを判定する判定部と、を具備し、
   前記送信部は、前記受信部との対向面に垂直な第１方向に前記超音波を射出する第１部分と、前記送信部を被検体の搬送方向から見た場合の、該送信部の少なくとも一端に沿って設けられ、前記第１方向と角度を成し、かつ前記送信部の中心側に対して前記送信部を前記搬送方向から見た場合の外側を向いた第２方向に前記超音波を射出する第２部分とを有する状態判定装置。
2. 前記送信部は、前記第２部分が前記送信部の中心側から該送信部の一端側にかけて傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の状態判定装置。
3. 前記送信部と前記受信部との間において被検体を第３方向に搬送可能な搬送部をさらに具備し、
   前記送信部は、前記第２部分を前記第３方向から見た該送信部の両端に有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の状態判定装置。
4. 前記送信部は、前記第２部分が前記対向面からの角度が５度以下に設定されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の状態判定装置。
5. 前記送信部は、前記第２部分が複数の素子により形成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の状態判定装置。
6. 前記送信部の第１部分からの超音波の射出方向および前記受信部の受信面に垂直な方向はそれぞれ、前記搬送部の対向する一主面に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の状態判定装置。
7. 前記送信部および前記受信部は、バッキング材、圧電振動子および音響整合層を有し、該バッキング材と該圧電振動子との間、および該圧電振動子と該音響整合層との間に電気配線用基板がそれぞれ挿入されることにより形成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の状態判定装置。

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