JP2013160685A

JP2013160685A - 超音波出力装置、超音波検査装置、及び紙葉類処理装置

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Publication number: JP2013160685A
Application number: JP2012024166A
Authority: JP
Inventors: Koyo Yamamoto; 幸洋山本; Kazuhiro Henmi; 和弘逸見
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-08-19

Abstract

【課題】より安定して動作する超音波出力装置、超音波検査装置、及び紙葉類処理装置を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る超音波出力装置は、紙葉類に対して超音波を射出する超音波出力装置であって、印加された信号に応じて前記超音波を発生させる振動子と、前記超音波を空気中に伝播させるマッチング層と、前記マッチング層と前記振動子を挟んだ逆側に設けられ、前記振動子により発生した前記超音波を抑制するバッキング層と、を具備し、前記バッキング層は、前記超音波が平面波として伝播する限界の距離以下の第１の厚さで設けられた突出面と、前記突出面により反射された反射波の位相と、前記超音波の位相とが半波長分ずれる第２の厚さで、前記突出面と隣接する位置に前記突出面と等しい面積で設けられた窪面と、を具備する。
【選択図】図７

Description

本発明の実施形態は、超音波出力装置、超音波検査装置、及び紙葉類処理装置に関する。

従来、例えば紙幣などの紙葉類の計数及び判別を行う紙葉類処理装置が実用化されている。紙葉類処理装置は、投入部に投入された紙葉類を１枚ずつ取り込み、紙葉類の検査装置に搬送する。検査装置は、紙葉類に対して種々の処理を行い紙葉類の状態を判別する。紙葉類処理装置は、検査装置の検査結果に基づいて、紙葉類を区分して集積する。

紙葉類処理装置は、超音波により紙葉類の状態を検査する超音波検査装置を備える。超音波検査装置は、紙葉類に対して超音波を照射する。超音波検査装置は、紙葉類を伝搬する超音波、または紙葉類を透過する透過波を検出する。これにより、超音波検査装置は、紙葉類の状態を検査する。

特開２０１１−０１３９６７号公報

超音波検査装置は、超音波を射出する送信器（送信センサ）と、超音波を受け取る受信器（受信センサ）とを備える。送信センサの振動子（圧電素子）は、印加される電圧に応じて振動する。また、送信センサは、圧電素子の振動を１方向に効率的に射出させる為のバッキング層を備える。バッキング層は、圧電素子の振動を吸収する。しかし、圧電素子の振動が吸収される場合、バッキング層に熱が発生する。この熱が、送信センサに悪影響を与える可能性がある。

そこで、より安定して動作する超音波出力装置、超音波検査装置、及び紙葉類処理装置を提供することを目的とする。

一実施形態に係る超音波出力装置は、紙葉類に対して超音波を射出する超音波出力装置であって、印加された信号に応じて前記超音波を発生させる振動子と、前記超音波を空気中に伝播させるマッチング層と、前記マッチング層と前記振動子を挟んだ逆側に設けられ、前記振動子により発生した前記超音波を抑制するバッキング層と、を具備し、前記バッキング層は、前記超音波が平面波として伝播する限界の距離以下の第１の厚さで設けられた突出面と、前記突出面により反射された反射波の位相と、前記超音波の位相とが半波長分ずれる第２の厚さで、前記突出面と隣接する位置に前記突出面と等しい面積で設けられた窪面と、を具備する。

図１は、一実施形態に係る紙葉類処理装置の外観について説明するための図である。図２は、一実施形態に係る紙葉類処理装置の例について説明するための図である。図３は、一実施形態に係る紙葉類処理装置の制御系の例について説明するための図である。図４は、一実施形態に係る超音波検査装置の例について説明するための図である。図５は、一実施形態に係る超音波検査装置の例について説明するための図である。図６は、一実施形態に係る超音波検査装置の例について説明するための図である。図７は、一実施形態に係る超音波検査装置の例について説明するための図である。図８は、一実施形態に係る超音波検査装置の処理について説明するための図である。図９は、一実施形態に係る超音波検査装置の処理について説明するための図である。図１０は、一実施形態に係る超音波検査装置の処理について説明するための図である。図１１は、一実施形態に係る超音波検査装置の例について説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、一実施形態に係る超音波検査装置、及び超音波検査装置を備える紙葉類処理装置について詳細に説明する。

図１は、一実施形態に係る紙葉類処理装置１００の外観を示す。
図１に示すように、紙葉類処理装置１００は、装置外部に、投入部１１２、操作部１３６、操作表示部１３７、ドア１３８、取出口１３９、及びキーボード１４０を備えている。

投入部１１２は、例えば紙幣などの紙葉類１を投入するための構成である。投入部１１２は、重ねられた状態の紙葉類１をまとめて受け入れる。操作部１３６は、オペレータによる各種操作入力を受け付ける。操作表示部１３７は、オペレータに対して各種の操作案内、及び処理結果などを表示する。なお、操作表示部１３７は、タッチパネルとして構成されていてもよい。この場合、紙葉類処理装置１００は、操作表示部１３７に表示されるボタンと、操作表示部１３７に対するオペレータによる操作と、に基づいて、各種の操作入力を検知する。

ドア１３８は、投入部１１２の投入口を開閉する為のドアである。取出口１３９は、紙葉類処理装置１００により再流通不可と判断された紙葉類１がスタックされる集積部から紙葉類１を取り出す為の構成である。キーボード１４０は、オペレータによる各種操作入力を受け付ける入力部として機能する。

図２は、図１の紙葉類処理装置１００の構成例を示す。
紙葉類処理装置１００は、装置内部に、投入部１１２、取出部１１３、吸着ローラ１１４、搬送路１１５、検査部１１６、ゲート１２０乃至１２５、排除搬送路１２６、排除集積部１２７、集積・結束部１２８乃至１３１、裁断部１３３、及びスタッカ１３４を備える。また、紙葉類処理装置１００は、主制御部１５１を備える。主制御部１５１は、紙葉類処理装置１００の各部の動作を統合的に制御する。

取出部１１３は、投入部の上部に設けられる。取出部１１３は、吸着ローラ１１４を備えている。吸着ローラ１１４は、投入部１１２にセットされた紙葉類１を集積方向の上端に接するように設けられている。即ち、吸着ローラ１１４は、回転することにより、投入部１１２にセットされた紙葉類１を集積方向の上端から１枚ずつ装置内部に取り込む。吸着ローラ１１４は、たとえば、１回転するごとに１枚の紙葉類１を取出すように機能する。これにより、吸着ローラ１１４は、紙葉類１を一定のピッチで取出す。吸着ローラ１１４により取り込まれた紙葉類１は、搬送路１１５に導入される。

搬送路１１５は、紙葉類１を紙葉類処理装置１００内の各部に搬送する。搬送路１１５は、図示しない搬送ベルト及び駆動プーリなどを備えている。搬送路１１５は、図示しない駆動モータ及び駆動プーリにより搬送ベルトを動作させる。搬送路１１５は、吸着ローラ１１４により取り込まれた紙葉類１を搬送ベルトにより一定速度で搬送する。なお、搬送路１１５における取出部１１３に近い側を上流側、スタッカ１３４に近い側を下流側として説明する。

取出部１１３から延びた搬送路１１５上には、検査部１１６が設けられている。検査部１１６は、画像読取装置１１７、画像読取装置１１８、超音波検査装置１３５、及び厚み検査部１１９を備えている。検査部１１６は、紙葉類１の光学的特徴情報、機械的特徴、及び磁気的特長情報を検出する。これにより、紙葉類処理装置１００は、紙葉類１の種類、汚損度、及び真偽などを検知する。

画像読取装置１１７、及び１１８は、それぞれ搬送路１１５を挟んで対面するように設けられている。画像読取装置１１７、及び１１８は、搬送路１１５を搬送される紙葉類１の両面の画像を読み取る。画像読取装置１１７、及び１１８は、それぞれ、ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ（ＣＣＤ）カメラを備える。紙葉類処理装置１００は、画像読取装置１１７、及び１１８により撮像した画像に基づいて、紙葉類１の表面及び裏面の模様画像を取得する。

画像読取装置１１７、及び１１８は、読み取った画像を検査部１１６内の図示しないメモリに一時的に記憶する。紙葉類処理装置１００は、このメモリに記憶されている画像を操作入力に応じて操作表示部１３７に表示する。

超音波検査装置１３５は、搬送される紙葉類１に対して超音波を照射し、紙葉類１を透過する透過波を検出する。これにより、超音波検査装置１３５は、例えば、紙葉類１の形状、強度、異物貼付の有無、切れ、及び真偽（ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ）などを検知する。

厚み検査部１１９は、搬送路１１５を搬送される紙葉類１の厚みを検査する。例えば、検出した厚みが規定値以上である場合、紙葉類処理装置１００は、紙葉類１の２枚取りを検出する。

また、検査部１１６は、図示しない磁気センサなどを備えている。磁気センサは、紙葉類１の磁気的な特徴情報を検出する。

主制御部１５１は、画像読取装置１１７、１１８、超音波検査装置１３５、厚み検査部１１９、及び磁気センサなどによる検出結果に基づいて、各種の判定を行う。例えば、主制御部１５１は、紙葉類１の種類（ｃａｔｅｇｏｒｙ）または券種（ｄｅｎｏｍｉｎａｔｉｏｎ）を判定する。

また、主制御部１５１は、紙葉類１の真偽を判定する。すなわち、主制御部１５１は、紙葉類１が真券(ｇｅｎｕｉｎｅ)であるか、偽券(ｃｏｕｎｔｅｒｆｅｉｔ)であるかを判定する。

また、主制御部１５１は、紙葉類１の正損（ｆｉｔｎｅｓｓ）を検知する。即ち、主制御部１５１は、紙葉類１が再流通可能（ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔａｂｌｅ）な正券（ｆｉｔｓｈｅｅｔ）であるか、再流通不可能（ｕｎｒｅｃｉｒｃｕｌａｔａｂｌｅ）な損券（ｕｎｆｉｔｓｈｅｅｔ）であるかを判定する。

さらに、主制御部１５１は、紙葉類１が排除券であるか否か判定する。すなわち、主制御部１５１は、偽券と判定された紙葉類１、または厚み検査部１１９により重なりが検知された紙葉類１を、排除券と判定する。すなわち、排除券は、正券及び損券に該当しない紙葉類１である。

紙葉類処理装置１００は、正券と判定した紙葉類１を集積・結束部１２８乃至１３１に搬送する。また、紙葉類処理装置１００は、損券と判定した紙葉類１を裁断部１３３に搬送する。裁断部１３３は、搬送される損券を裁断する。なお、紙葉類処理装置１００は、損券をスタッカ１３４に搬送し集積してもよい。例えば、スタッカ１３４は、集積した損券が例えば１００枚に到達するごとに施封を行う。

紙葉類処理装置１００は、排除券と判定した紙葉類１を排除集積部１２７に搬送する。排除券は、例えば、２枚取り券などの搬送異常券、折れまたは破れなどが存在する不良券、及び適用外券種または偽券などの判別不能券を含む。

検査部１１６の下流側の搬送路１１５上には、ゲート１２０乃至１２５が順に配設されている。ゲート１２０乃至１２５は、それぞれ、主制御部１５１により制御される。主制御部１５１は、検査部１１６による検査の結果に基づいて各ゲート１２０乃至１２５の動作を制御する。これにより、主制御部１５１は、搬送路１１５を搬送されている紙葉類１を所定の処理部に搬送するように制御する。

検査部１１６の直後に配設されたゲート１２０は、搬送路１１５を排除搬送路１２６に分岐する。即ち、ゲート１２０は、検査部１１６による検査の結果、真券ではないと判定された排除券、または、検査部１１６による検査を行うことができない検査不能券等を排除搬送路１２６に搬送するように切り替えられる。

排除搬送路１２６の終端部には、排除集積部（排除部）１２７が設けられている。排除集積部１２７は、取出部１１３にて取出した姿勢のまま、上記したような排除券、及び検査不能券を集積する。排除集積部１２７に集積された紙葉類１は、取出口１３９から取り出すことができる。

また、ゲート１２１乃至１２４により分岐される先には、集積・結束部１２８乃至１３１（総じて集積結束部１３２と称する）がそれぞれ設けられている。集積・結束部１３２には、再流通可能であると判定された紙葉類１が種類及び表裏毎に区別されて集積される。集積・結束部１３２は、集積した紙葉類１を所定枚数毎に結束して格納する。

ゲート１２５により分岐される先には、裁断部１３３が配設されている。裁断部１３３は、紙葉類１を裁断して収納する。ゲート１２５に搬送される紙葉類１は、正規の紙葉類１であり、且つ、再流通が不可能であると判定された紙葉類１（損券）である。

また、ゲート１２５により分岐される他方の搬送路の先には、スタッカ１３４が配設されている。主制御部１５１は、損券裁断モードが選択されている場合、紙葉類１を裁断部１３３に搬送するようにゲート１２５を制御する。また、主制御部１５１は、損券裁断モードが選択されていない場合、紙葉類１をスタッカ１３４に搬送するようにゲート１２５を制御する。

なお、主制御部１５１は、集積・結束部１３２に集積された紙葉類１の枚数、及び、裁断部１３３により裁断された紙葉類１の枚数及び識別情報を逐次記憶する。

図３は、図１及び図２の紙葉類処理装置１００の制御系の構成例を示す。
紙葉類処理装置１００は、主制御部１５１、検査部１１６、搬送制御部１５２、集積・結束制御部１５３、裁断制御部１５６、操作表示部１３７、及びキーボード１４０などを備える。

主制御部１５１は、紙葉類処理装置１００の全体的な制御を司る。主制御部１５１は、操作表示部１３７により入力される操作、及び検査部１１６による検査結果に基づき、搬送制御部１５２及び集積・結束制御部１５３を制御する。

例えば、操作員は、操作表示部１３７またはキーボード１４０により、処理する紙葉類１に対する各種の判定における閾値、紙葉類１の供給元の名称、及び処理方法などを入力する。

検査部１１６は、画像読取装置１１７、及び１１８、厚み検査部１１９、超音波検査装置１３５、その他のセンサ類１５４、及びＣＰＵ１５５を備える。

画像読取装置１１７、及び１１８は、搬送路１１５を搬送される紙葉類１の両面の画像を読み取る。画像読取装置１１７、及び１１８は、例えばＣＣＤなどの受光素子と光学系とを備える。画像読取装置１１７、及び１１８は、搬送される紙葉類１に対して光を投光し、反射光または透過光を光学系により受光する。画像読取装置１１７、及び１１８は、光学系により受光した光をＣＣＤに結像させ、電気信号（画像）を取得する。

主制御部１５１は、紙葉類１の基準となる画像（基準画像）を記憶部１５１ａに予め記憶する。主制御部１５１は、紙葉類１から取得した画像と、記憶部１５１ａに記憶される基準画像とを比較することにより、紙葉類１に対する各種の判定を行う。

超音波検査装置１３５は、上記したように、搬送される紙葉類１に対して超音波を照射する。超音波検査装置１３５は、紙葉類１を透過する音波を検出する。また、記憶部１５１ａは、超音波検査装置１３５の検出結果と比較する閾値を予め記憶する。主制御部１５１は、超音波検査装置１３５の検出結果と記憶部１５１ａに記憶されている閾値とに基づいて、紙葉類１に対する各種の判定を行う。

厚み検査部１１９は、搬送路１１５を搬送される紙葉類１の厚みを検査する。その他のセンサ類１５４は、例えば、磁気センサなどである。磁気センサは、搬送路１１５を搬送される紙葉類１から磁気的な特徴情報を検出する。

ＣＰＵ１５５は、画像読取装置１１７、１１８、厚み検査部１１９、超音波検査装置１３５、及びその他のセンサ類１５４などの動作の制御を行う。また、ＣＰＵ１５５は、主制御部１５１とデータの伝送を行う。すなわち、ＣＰＵ１５５は、検査部１１６の各部における検知結果を主制御部１５１に伝送することができる。

搬送制御部１５２は、主制御部１５１の制御に基づき、取出部１１３、搬送路１１５、排除搬送路１２６、及びゲート１２０乃至１２５を制御する。これにより、搬送制御部１５２は、紙葉類１の取り込み及び搬送を制御する。また、搬送制御部１５２は、判定した紙葉類１の種類毎に区分する区分処理を行う。即ち、搬送制御部１５２は、区分処理部として機能する。

例えば、搬送制御部１５２は、損券と判定された紙葉類１を裁断部１３３、またはスタッカ１３４に搬送するようにゲート１２０乃至１２５を制御する。また、搬送制御部１５２は、排除券と判定された紙葉類１を排除集積部１２７に搬送するようにゲート１２０乃至１２５を制御する。

集積・結束制御部１５３は、主制御部１５１の制御に基づき、排除集積部１２７及び集積・結束部１２８乃至１３１を制御する。これにより、集積・結束制御部１５３は、紙葉類１の集積、及び結束の制御を行なう。

裁断制御部１５６は、主制御部１５１の制御に基づき、裁断部１３３の動作を制御する。これにより、裁断部１３３は、搬送される紙葉類１の裁断を行う。

図４は、図２及び図３の超音波検査装置１３５の構成例を示す。
超音波検査装置１３５は、例えば紙葉類処理装置１００の搬送路１１５の近傍に設置される。超音波検査装置１３５は、紙葉類１を透過する超音波（透過波）を紙葉類１の全域から検出する。超音波検査装置１３５は、検出した値と、予め真券に対する処理結果から生成されたパラメータとを比較することにより、紙葉類１の真偽を判定する。

図４に示されるように、超音波検査装置１３５は、送信センサ５０、受信センサ６０、及び制御部９０を備える。なお、図４に示す矢印ａは、紙葉類１の搬送方向を示す。

送信センサ５０は、搬送方向ａに一定の速度で搬送される紙葉類１に対して超音波を照射する送信部である。送信センサ５０は、搬送路１１５を挟んで受信センサ６０と対向する位置に設置される。送信センサ５０は、圧電素子を備える。圧電素子は、圧電体と、圧電体を挟持するように設けられる１対の電極とを有する。

送信センサ５０は、圧電素子の電極に電圧を印加することにより、圧電体の形状を変化させる。圧電素子の電極にパルス信号が印加される場合、送信センサ５０は、圧電体を振動させる。この結果、送信センサ５０は、超音波を発生させることができる。

なお、紙葉類１を透過する超音波は、超音波の入射角により透過率が変動する。この為、送信センサ５０は、紙葉類１に対する超音波の入射角が最適となるように設置される。なお、最適角度は、紙葉類１の材質及び構造により異なる。図４に示すように、送信センサ５０は、照射される超音波の向きが、紙葉類１が搬送される搬送面Ｐに対して角度αを成すように設けられる。

受信センサ６０は、送信センサ５０から送信されて紙葉類１を透過した透過波を検出する受信部である。受信センサ６０は、搬送路１１５を挟んで送信センサ５０と対向する位置に設置される。受信センサ６０は、送信センサ５０と同様に、圧電素子を備える。

受信センサ６０は、圧電体の形状の変化に応じて信号を生成する。受信センサ６０に超音波が照射される場合、圧電体は、超音波の強度及び周期に応じて形状が変化する。即ち、受信センサ６０は、超音波の強度及び周期に応じた信号を生成する。これにより、受信センサ６０は、紙葉類１を透過した透過波を検出する。なお、受信センサ６０は、搬送面Ｐに対して送信センサ５０と同じ角度で設置される。

即ち、送信センサ５０及び受信センサ６０は、紙葉類１が搬送される搬送面Ｐに対してαの角度を成す軸Ｓ上に設けられる。送信センサ５０は、軸Ｓと平行に伝播する超音波を出力する。即ち、送信センサ５０は、超音波を出力する面（振動面）が軸Ｓと直交するように設置される。また、受信センサ６０は、超音波が入射する面（振動面）が軸Ｓと直交するように設置される。

受信センサ６０は、搬送されている紙葉類１から連続して超音波を検出することにより、紙葉類１の全域から超音波を検出することができる。なお、受信センサ６０によるスキャンの周期は、受信センサの振動面のサイズ及び受信センサ６０の分解能に応じて決定される。

送信センサ５０は、上記の搬送面Ｐ上の所定の範囲（照射範囲）に対して超音波を照射する。なお、送信センサ５０は、搬送面Ｐ上の紙葉類１が搬送される範囲に照射範囲が形成されるように構成される。

また、受信センサ６０は、上記した搬送面Ｐ上の所定の範囲（検出範囲）から超音波を受信する。受信センサ６０は、紙葉類１が搬送される範囲を含む大きさで検出範囲が形成されるように構成される。

受信センサ６０は、検出範囲に紙葉類１が存在する場合、送信センサ５０から射出されて紙葉類１を透過した超音波（透過波）を検出する。また、受信センサ６０は、検出範囲に紙葉類１が存在しない場合、送信センサ５０から射出されて受信センサ６０に直接入射する超音波（ダイレクト波）を検出する。

制御部９０は、超音波検査装置１３５の全体の制御を司るものである。制御部９０は、ＣＰＵ、バッファメモリ、プログラムメモリ、及び不揮発性メモリなどを備えている。

ＣＰＵは、種々の演算処理を行う。バッファメモリは、ＣＰＵにより演算結果を一時的に記憶する。プログラムメモリ及び不揮発性メモリは、ＣＰＵが実行する種々のプログラム及び制御データなどを記憶する。

制御部９０は、ＣＰＵによりプログラムメモリに記憶されているプログラムを実行することにより、種々の処理を行うことができる。例えば、制御部９０は、送信センサ５０、及び受信センサ６０の動作タイミングを制御する。

また、制御部９０は、図３に示す検査部１１６のＣＰＵ１５５及び主制御部１５１と接続されている。例えば、制御部９０は、処理結果を主制御部１５１またはＣＰＵ１５５に伝送することができる。また、主制御部１５１またはＣＰＵ１５５から送信される制御信号に基づいて、超音波検査装置１３５の動作を制御することが出来る。

図５は、図４に示す超音波検査装置１３５の送信センサ５０及び受信センサ６０の例を示す。図５は、送信センサ５０及び受信センサ６０の断面をそれぞれ示す。

送信センサ５０は、マッチング層５１０、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）５２０、圧電素子５３０、及びバッキング層５４０を備える。

マッチング層５１０は、送信センサ５０と空気中との間で効率的に超音波を伝播する為の構成である。通常、圧電体の音響インピーダンスと空気中の音響インピーダンスとの差が大きい。この為、境界面において反射する超音波が多くなる。

マッチング層５１０は、圧電体の音響インピーダンスと空気中の音響インピーダンスとの中間的な音響インピーダンスを持つ構成である。マッチング層５１０を圧電素子５３０と空気との間に設けることにより、送信センサ５０は、空気中に超音波を射出させることができる。なお、マッチング層５１０は、一般工業用のエポキシ樹脂などにより構成される。

なお、マッチング層５１０は、圧電素子５３０とＦＰＣ５２０を介して接着されている。この為、マッチング層５１０は、圧電素子６３０と連動して振動する。

ＦＰＣ５２０は、回路などが銅箔として屈曲性のある電気絶縁フィルム上に形成されたものである。ＦＰＣ５２０は、曲げ、重ね、おりたたみ、巻き付け、及びねじりなどが可能である。

ＦＰＣ５２０は、圧電素子５３０を挟持するように設けられる。この場合、ＦＰＣ５２０の銅箔がプリントされた面と圧電素子５３０の電極とが電気的に接続される。

なお、ＦＰＣ５２０は、必須の構成ではなく、少なくとも圧電体の両側に外部から接続可能な電極が形成される構成であればよい。即ち、ＦＰＣ５２０は、他の構成により置き換えられてもよいし、省略されてもよい。

圧電素子５３０は、水晶、またはセラミックなどの圧電体と、圧電体の両側に設けられる電極とを備える。圧電素子５３０は、例えば、ＰＺＴ系圧電セラミックス、１−３複合圧電材料などにより形成される。圧電体は、パルス信号を印加すると、印加したパルス信号の周期、及び強度に応じて振動する圧電効果を有する。これにより、圧電体は、電気信号を超音波に変換する。また、圧電体は、超音波を電気信号に変換する。

バッキング層５４０は、圧電素子５３０から、マッチング層５１０と逆側（背面）に放射される音響エネルギー（振動）を抑制する。バッキング層５４０は、振動を吸収しない素材により特定の構造で形成される。バッキング層５４０は、振動を吸収しない為、振動による熱の発生を抑えることができる。また、バッキング層５４０は、圧電素子５３０から伝わる振動を上記の特定の構造により抑制することができる。

また、受信センサ６０は、マッチング層６１０、ＦＰＣ６２０、圧電素子６３０、及びバッキング層６４０を備える。なお、受信センサ６０の各構成は、送信センサ５０の各構成と同様である為、説明を省略する。

なお、受信センサ６０のマッチング層６１０、ＦＰＣ６２０、及び圧電素子６３０は、後述するダイシング処理により複数のチャネルに切り分けられている。これにより、受信センサ６０は、複数のチャネル毎に異なる領域から超音波を検出することができる。

図５に示すように、送信センサ５０には、同軸ケーブル５５０が接続される。即ち、送信センサ５０のＦＰＣ５２０の銅箔がプリントされた面は、接続部５６０において、同軸ケーブル５５０の＋端子、または−端子が接続される。これにより、送信センサ５０は、例えばパルス信号を生成する送信パルサなどと電気的に接続される。

即ち、同軸ケーブル５５０を介してパルス信号が送信センサ５０に入力される場合、パルス信号に応じた電圧が、圧電素子５３０の圧電体に印加される。

制御部９０は、同軸ケーブル５５０を介して送信センサ５０にパルス信号を送信することにより、送信センサ５０の圧電素子５３０に電圧を印加する。これにより、制御部９０は、送信センサ５０から超音波を射出させる。

受信センサ６０も同様に、同軸ケーブル６５０が接続される。即ち、受信センサ６０のＦＰＣ６２０の銅箔がプリントされた面は、接続部６６０において、同軸ケーブル６５０の＋端子、または−端子が接続される。これにより、受信センサ６０は、例えば圧電素子６３０により生成される検出信号を読み取る読み取り回路などと電気的に接続される。

即ち、受信センサ６０に超音波が入射する場合、圧電素子６３０により生成される信号が、同軸ケーブル６５０を介して読み取り回路に入力される。

なお、受信センサ６０には、上記した切り分けられた各チャネル毎に同軸ケーブル６５０が接続される。これにより、受信センサ６０は、各チャネル毎に検出する信号を読み取り回路に送信することができる。

図６及び図７は、送信センサ５０のバッキング層５４０の例を示す。図６は、図５に示す矢印ｚの方向から送信センサ５０を見た場合の例を示す。また、図７は、図６に示すＡＡ’線により送信センサ５０を切断した場合の断面の例を示す。

図７に示されるように、送信センサ５０のバッキング層５４０は、圧電素子５３０及びＦＰＣ５２０と接する面と逆側の面に設けられた突出面（ＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＰｌａｎｅ）５４１及び窪面（ＲｅｃｅｓｓｉｏｎＰｌａｎｅ）５４２を有する。

なお、図６に示されるように、突出面５４１と窪面５４２とは、互いに等しい面積で形成される。突出面５４１は、例えば一辺の長さがＬである正方形で形成される。また、窪面５４２は、例えば突出面５４１と同様に一辺の長さがＬである正方形で形成される。即ち、窪面５４２の長手長さはＬである。

バッキング層５４０は、突出面５４１と窪面５４２とが互いに入子状に形成された構成を備える。即ち、突出面５４１は、突出面５４１と等しい面積を有する窪面５４２と隣接して形成される。

図７に示されるように、バッキング層５４０は、厚さＴで形成される。また、バッキング層５４０の突出面５４１は、圧電素子５３０及びＦＰＣ５２０と接する面から厚さＴで形成される。また、バッキング層５４０の窪面５４２は、突出面５４１よりギャップＧだけ薄く形成される。即ち、窪面５４２は、圧電素子５３０及びＦＰＣ５２０と接する面からＴ−Ｇの厚さで形成される。バッキング層５４０は、突出面５４１と窪面５４２との間のギャップにより、バッキング層５４０の内部を伝播する振動を抑制することができる。

圧電素子５３０からバッキング層５４０に伝播した超音波は、バッキング層５４０の突出面５４１により反射され、第１の反射波になる。また、圧電素子５３０からバッキング層５４０に伝播した超音波は、バッキング層５４０の窪面５４２により反射され、第２の反射波になる。バッキング層５４０の突出面５４１及び窪面５４２は、突出面５４１で反射した第１の反射波と、窪面５４２で反射した第２の反射波とで位相がずれるように形成される。これにより、バッキング層５４０は、第１の反射波と第２の反射波とを互いに打ち消させることができる。

例えば、バッキング層５４０は、第１の反射波と第２の反射波とで位相が１８０度ずれるように形成された突出面５４１及び窪面５４２を備える。この構成によると、バッキング層５４０は、第２の反射波により第１の反射波を効率的に打ち消すことができる。

なお、圧電素子５３０から発せられた超音波は、図８に示されるように近距離音場（フレネルゾーン）において、平面波として伝播する。また、圧電素子５３０から発せられた超音波は、図８に示されるように遠距離音場（フラウンホーファーゾーン）において、球面波として伝播する。

上記のように、第２の反射波により第１の反射波を効率的に打ち消す為に、第１の反射波と第２の反射波とで位相が１８０度ずれていることが望ましい。この為、バッキング層５４０を伝播する第１の反射波と第２の反射波は、平面波であることが望ましい。即ち、バッキング層５４０の厚さＴがフレネルゾーン内である場合、バッキング層５４０は、バッキング層５４０を伝播する超音波を効率的に抑制することができる。

フレネルゾーンは、媒体中の超音波の波長、及び対象となる面の長手長さに応じて定まる。例えば、バッキング層５４０は、上記のように突出面５４１または窪面５４２がフレネルゾーン内に形成されるように構成される。この場合、フレネルゾーンは、圧電素子５３０により発生する超音波の波長λと、突出面５４１または窪面５４２の長手長さＬに応じて定まる。

例えば、圧電素子５３０に印加されるパルス信号の周波数（即ち発信周波数）をｆとする。また、バッキング層５４０内を超音波が伝播する速度（振動伝達速度）をＶとする。この場合、バッキング層５４０内を伝播する超音波の波長λは、λ＝Ｖ／ｆである。

また、突出面５４１または窪面５４２の長手の長さをＬとする。また、突出面５４１または窪面５４２のアスペクト比定数をｋとする。なお、アスペクト比定数は、開口部の縦横比である。図８の例では、アスペクト比定数はｂ／ａである。この場合、フレネルゾーンの限界距離Ｎは、Ｎ＝ｋＬ^２／４λである。即ち、バッキング層５４０は、λ／４＝Ｇ＜Ｔ≦Ｎ＝ｋＬ^２／４λを満たす厚さＴで構成される。

なお、ギャップＧがＧ＝λ／４である場合、第２の反射波の位相と、第１の反射波の位相と１８０度ずれる。この為、バッキング層５４０の突出面５４１と窪面５４２とのギャップは、λ／４であることが望ましい。

図９は、長手長さＬと、アスペクト比定数ｋと、フレネルゾーンの限界距離Ｎとの関係を示すグラフである。なお、図９の縦軸は、フレネルゾーンの限界距離Ｎを示す。また、横軸は、長手長さＬを示す。各グラフは、バッキング層５４０内を伝播する超音波の波長λが一定であり、アスペクト比定数ｋが異なる場合の長手長さＬと、フレネルゾーンの限界距離Ｎとの関係を示す。

上記したように構成された送信センサ５０は、突出面５４１で反射した波（第１の反射波）と、窪面５４２で反射した波（第２の反射波）との位相差を半波長分、即ち、１８０度にすることができる。この場合、第１の反射波と第２の反射波とが干渉し、バッキング層５４０内の振動を低減させることができる。この結果、熱の発生を抑え、且つ、薄いバッキング層５４０を実現できる。これにより、送信センサ５０全体のサイズを抑えることができる。この結果、より安定して動作する超音波出力装置、超音波検査装置、及び紙葉類処理装置を提供することができる。

なお、上記の実施形態では、バッキング層５４０の突出面５４１及び窪面５４２は、互いに同じ面積の正方形により形成されているとして説明したが、この構成に限定されない。突出面５４１及び窪面５４２の面の形状は、長方形、三角形、円形、または他の形状であってもよい。

例えば、突出面及び窪面の形状は、正三角形であってもよい。図１０は、送信センサ５０のバッキング層５４０の他の例を示す。図１０は、図５に示す矢印ｚの方向から送信センサ５０を見た場合の例を示す。

図１０に示されるように、突出面５４３と窪面５４４とは、互いに等しい面積の正三角形により形成される。突出面５４３は、例えば一辺の長さがＬである正三角形で形成される。また、窪面５４４は、例えば突出面５４３と同様に一辺の長さがＬである正三角形で形成される。即ち、突出面５４３及び窪面５４４の長手長さはＬである。

バッキング層５４０は、突出面５４３と窪面５４４とが互いに入子状に形成された構成を備える。即ち、突出面５４３は、突出面５４３と等しい面積を有する窪面５４４と隣接して形成される。

この場合も、突出面５４３は、圧電素子５３０から突出面５４３までの厚さＴが、振動子としての圧電素子５３０から出力された超音波が平面波として伝わるフレネルゾーンの限界距離Ｎ以下の厚さになるように形成される。

突出面５４３の長手の長さはＬである。また、突出面５４３のアスペクト比定数をｋとする。この場合、フレネルゾーンの限界距離Ｎは、Ｎ＝ｋＬ^２／４λである。

また、窪面５４４は、圧電素子５３０から窪面５４４までの厚さと厚さＴとのギャップＧが、圧電素子５３０から出力された超音波の波長λの４分の１の厚さになるように形成される。即ち、突出面５４３は、λ／４＝Ｇ＜Ｔ≦Ｎ＝ｋＬ^２／４λを満たす厚さＴで構成される。

この構成によっても、送信センサ５０は、突出面５４３で反射した波（第１の反射波）と、窪面５４４で反射した波（第２の反射波）との位相差を半波長分、即ち、１８０度にすることができる。これにより、送信センサ５０は、第１の反射波と第２の反射波とを干渉させ、バッキング層５４０内の振動を低減させることができる。この結果、より安定して動作する超音波出力装置、超音波検査装置、及び紙葉類処理装置を提供することができる。

また、突出面及び窪面の形状は、隣り合う面が等しい面積であれば如何なる形状であってもよい。例えば、突出面及び窪面の形状は、正方形と円との組合せであってもよい。図１１は、送信センサ５０のバッキング層５４０の他の例を示す。図１１は、図５に示す矢印ｚの方向から送信センサ５０を見た場合の例を示す。

図１１に示されるように、突出面５４５は、例えば一辺の長さがＬである正方形で形成される。窪面５４６は、突出面５４５内に直径がＤである円で形成される突出面５４５より厚さの薄い面である。なお、突出面５４５と窪面５４６とは面積が等しい為、Ｌ^２−（Ｄ／２）^２×π＝（Ｄ／２）^２×πの関係が成り立つ。即ち、突出面５４３の長手の長さはＬ＝Ｄ√（π／２）である。

バッキング層５４０は、このような突出面５４５と窪面５４６との組合せが複数配列された構成を備える。

この場合も、突出面５４５は、圧電素子５３０から突出面５４５までの厚さＴが、振動子としての圧電素子５３０から出力された超音波が平面波として伝わるフレネルゾーンの限界距離Ｎ以下の厚さになるように形成される。

突出面５４５の長手の長さはＬである。また、突出面５４５のアスペクト比定数をｋとする。この場合、フレネルゾーンの限界距離Ｎは、Ｎ＝ｋＬ^２／４λである。

また、窪面５４６は、圧電素子５３０から窪面５４６までの厚さと厚さＴとのギャップＧが、圧電素子５３０から出力された超音波の波長λの４分の１の厚さになるように形成される。即ち、突出面５４５は、λ／４＝Ｇ＜Ｔ≦Ｎ＝ｋＬ^２／４λを満たす厚さＴで構成される。

また、突出面５４５と窪面５４６とが逆のパターンであっても図１１の構成と同様の効果を得ることができる。

この場合、窪面５４６は、例えば一辺の長さがＬである正方形で形成される。また、突出面５４５は、窪面５４６内に直径がＤである円で形成される突出面５４５より厚さの厚い面である。なお、突出面５４５と窪面５４６とは面積が等しい為、Ｌ^２−（Ｄ／２）^２×π＝（Ｄ／２）^２×πの関係が成り立つ。即ち、突出面５４３の長手の長さはＬ＝Ｄ√（π／２）である。

突出面５４５の長手の長さはＤである。また、突出面５４５のアスペクト比定数をｋとする。なお、円形の場合、フレネルゾーンの限界距離Ｎは、Ｎ＝Ｄ^２／４λである。

また、窪面５４６は、圧電素子５３０から窪面５４６までの厚さと厚さＴとのギャップＧが、圧電素子５３０から出力された超音波の波長λの４分の１の厚さになるように形成される。即ち、突出面５４５は、λ／４＝Ｇ＜Ｔ≦Ｎ＝Ｄ^２／４λを満たす厚さＴで構成される。

上記したように、送信センサ５０のバッキング層５４０は、圧電素子５３０とは逆側の面に、突出面と窪面とを備える。突出面と窪面とは、等しい面積で互いに隣接するように設けられる。さらに、突出面及び窪面は、圧電素子５３０からの互いの厚さの差Ｇが、圧電素子５３０から出力された超音波の波長の４分の１になるように構成される。またさらに、突出面は、振動子としての圧電素子５３０から出力された超音波が平面波として伝わるフレネルゾーンの限界距離Ｎ以下の厚さになるように形成される。

このように構成されたバッキング層５４０を備える送信センサ５０は、突出面５４５で反射した波（第１の反射波）と、窪面５４６で反射した波（第２の反射波）との位相差を半波長分、即ち、１８０度にすることができる。これにより、送信センサ５０は、第１の反射波と第２の反射波とを干渉させ、バッキング層５４０内の振動を低減させることができる。この結果、より安定して動作する超音波出力装置、超音波検査装置、及び紙葉類処理装置を提供することができる。

なお、上記した実施形態では、送信センサ５０のバッキング層５４０は、突出面と窪面との厚さの差Ｇが、λ／４になるように構成されると説明したが、この構成に限定されない。送信センサ５０のバッキング層５４０は、突出面と窪面との厚さの差Ｇが、（１／４＋ｎ）λであってもよい。なお、ｎは整数である。即ち、突出面で反射した波（第１の反射波）と、窪面で反射した波（第２の反射波）との位相差が１８０度になるような構成であれば、如何なる構成であってもよい。

また、圧電素子５３０から突出面までの厚さ、または、圧電素子５３０から窪面までの厚さが圧電素子５３０から出力された超音波の波長λの整数倍である場合、突出面で反射した波（第１の反射波）または窪面で反射した波（第２の反射波）と、圧電素子５３０から出力された超音波とが干渉することにより、強め合う可能性がある。そこで、バッキング層５４０は、圧電素子５３０から突出面までの厚さの倍の長さ、及び圧電素子５３０から窪面までの厚さの倍の長さが、圧電素子５３０から出力された超音波の波長λの整数倍にならないように構成されることが望ましい。即ち、圧電素子５３０から出力されて、反射面により反射され、圧電素子５３０に到達するまでの距離が、超音波の波長λの整数倍にならないように構成されることが望ましい。

例えば、圧電素子５３０から突出面までの厚さが（９／８）λである場合、圧電素子５３０から窪面までの厚さは、（９／８−１／４）λである。即ち、圧電素子５３０から窪面までの厚さは、（７／８）λである。この場合、第１の反射波及び第２の反射波の位相と、圧電素子５３０から出力された超音波の位相とが揃わない。この結果、送信センサ５０は、反射波と圧電素子５３０から出力された超音波とが強め合うことを防ぐことができる。

なお、上述の各実施の形態で説明した機能は、ハードウエアを用いて構成するに留まらず、ソフトウエアを用いて各機能を記載したプログラムをコンピュータに読み込ませて実現することもできる。また、各機能は、適宜ソフトウエア、ハードウエアのいずれかを選択して構成するものであっても良い。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…紙葉類、５０…送信センサ、６０…受信センサ、９０…制御部、１００…紙葉類処理装置、１１２…投入部、１１３…取出部、１１４…吸着ローラ、１１５…搬送路、１１６…検査部、１１７…画像読取装置、１１８…画像読取装置、１１９…厚み検査部、１２５…ゲート、１３２…集積・結束部、１３５…超音波検査装置、１５１…主制御部、１５２…搬送制御部、１５３…集積・結束制御部、１５５…ＣＰＵ、５１０…マッチング層、５２０…フレキシブルプリント基板、５３０…圧電素子、５４０…バッキング層、５４１…突出面、５４２…窪面、５４３…突出面、５４４…窪面、５４５…突出面、５４６…窪面、５５０…同軸ケーブル、５６０…接続部。

Claims

紙葉類に対して超音波を射出する超音波出力装置であって、
印加された信号に応じて前記超音波を発生させる振動子と、
前記超音波を空気中に伝播させるマッチング層と、
前記マッチング層と前記振動子を挟んだ逆側に設けられ、前記振動子により発生した前記超音波を抑制するバッキング層と、
を具備し、
前記バッキング層は、
前記超音波が平面波として伝播する限界の距離以下の第１の厚さで設けられた突出面と、
前記突出面により反射された反射波の位相と、前記超音波の位相とが半波長分ずれる第２の厚さで、前記突出面と隣接する位置に前記突出面と等しい面積で設けられた窪面と、
を具備する、超音波出力装置。
前記窪面は、前記超音波の４分の１波長に対応する長さ、または前記超音波の４分の１波長と前記超音波の波長の整数倍とを合わせた長さだけ前記第１の厚さより薄い前記第２の厚さを有する、請求項１に記載の超音波出力装置。
前記第１の厚さは、前記突出面の長手方向の長さと、前記超音波の波長とに基づいて算出された前記超音波が平面波として伝播する限界の距離以下であり、且つ、前記超音波の４分の１波長より厚い厚さである、請求項１に記載の超音波出力装置。
前記突出面及び前記窪面は、前記第１の厚さの倍の長さ、及び前記第２の厚さの倍の長さが、前記超音波の波長の整数倍ではない長さになるように構成されている、請求項１に記載の超音波出力装置。
前記突出面及び前記窪面は、それぞれ等しい面積で入子状に配設された正方形として構成されている、請求項１に記載の超音波出力装置。
前記突出面は、正方形として構成されており、
前記窪面は、前記突出面内に前記前記突出面と等しい面積で円形として構成されている、請求項１に記載の超音波出力装置。
紙葉類に対して超音波を射出することにより紙葉類を検査する超音波検査装置であって、
印加された信号に応じて前記超音波を発生させる振動子と、前記超音波を空気中に伝播させるマッチング層と、前記マッチング層と前記振動子を挟んだ逆側に設けられ、前記振動子により発生した前記超音波を抑制するバッキング層と、を具備し、前記紙葉類に対して超音波を射出する超音波出力部と、
前記超音波を受信し、受信した前記超音波に応じて信号を生成する超音波受信部と、
を具備し、
前記超音波出力部の前記バッキング層は、
前記超音波が平面波として伝播する限界の距離以下の第１の厚さで設けられた突出面と、
前記突出面により反射された反射波の位相と、前記超音波の位相とが半波長分ずれる第２の厚さで、前記突出面と隣接する位置に前記突出面と等しい面積で設けられた窪面と、
を具備する、超音波検査装置。
紙葉類を搬送する搬送手段と、
印加された信号に応じて前記超音波を発生させる振動子と、前記超音波を空気中に伝播させるマッチング層と、前記マッチング層と前記振動子を挟んだ逆側に設けられ、前記振動子により発生した前記超音波を抑制するバッキング層と、を具備し、前記紙葉類に対して超音波を射出する超音波出力部と、
前記超音波を受信し、受信した前記超音波に応じて信号を生成する超音波受信部と、
前記超音波受信部により生成された信号に基づいて前記紙葉類を検査する検査手段と、
前記検査手段による検査結果に基づいて、前記紙葉類を区分する区分処理手段と、
を具備し、
前記超音波出力部の前記バッキング層は、
前記超音波が平面波として伝播する限界の距離以下の第１の厚さで設けられた突出面と、
前記突出面により反射された反射波の位相と、前記超音波の位相とが半波長分ずれる第２の厚さで、前記突出面と隣接する位置に前記突出面と等しい面積で設けられた窪面と、
を具備する、紙葉類処理装置。