JP4865933B1

JP4865933B1 - 異常形状検出装置及び異常形状検出方法

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Publication number: JP4865933B1
Application number: JP2011526325A
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Inventors: 昌弘山本
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Current assignee: Nireco Corp
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2012-02-01
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Abstract

平面上の異常形状を検出する異常形状検出装置は、該平面に平行な面内の方向成分が異なる方向に電磁波を放出するように設置された、複数の組の送受信アンテナと、送信信号及び受信信号を処理する送受信信号処理部と、を備える。各組の送受信アンテナは、送信アンテナから送信され、異常形状がない平面に反射された電磁波を受信せず、異常形状に反射された電磁波のみを受信するように配置されている。該送受信信号処理部は、各組の送信アンテナに送る所定の周波数の電磁波をｆ１の周波数の疑似ランダム信号で変調し、受信されたた信号をｆ１より小さいｆ２の周波数の疑似ランダム信号で復調することにより、ｆ１及びｆ２によって定まる測定サイクルで、各組の測定サイクルが異なるタイミングで発生するようにしながら各組の受信アンテナによって受信された異常形状から反射された信号を処理するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象面の異常形状を検出するための異常形状検出装置及び異常形状検出方法に関する。

測定対象面の凹凸などの異常形状を検出する装置として、蛍光灯や発光ダイオードなどの光源からの光を測定対象面に照射する装置（たとえば、特許文献１）やレーザ光を測定対象面に照射する装置（たとえば、特許文献２）が開発されている。

しかし、このような光を使用する装置は、光の経路が固定されていることを前提としているので、測定対象面の位置が変化した場合に高い精度で検出を行うことが困難である。また、蛍光灯や発光ダイオードなどの光源を使用する検出装置は、迷光や粉塵など周囲の環境の影響を受けやすい。

また、環境の変化に強い、パルスレーダ方式やＦＭ−ＣＷ（Frequency-Modulated Continuous Wave）レーダー方式は、対象物までの距離測定には適しているが、検出分解能が低いので異常形状の検出には不向きである。

このように、周囲の環境の影響を受けにくく、高い精度で測定対象面の異常形状の検出を行うことができる異常形状検出装置及び異常形状検出方法は開発されていない。

特開２００９−２１６６２３号公報特開２００４−２１９１１９号公報

したがって、周囲の環境の影響を受けにくく、高い精度で測定対象面の異常形状の検出を行うことができる異常形状検出装置及び異常形状検出方法に対するニーズがある。

本発明の第１の態様による異常検出装置は、平面上の異常形状を検出する異常形状検出装置であって、該平面に平行な面内の方向成分が異なる方向に電磁波を放出するように設置された、複数の組の送信アンテナ及び受信アンテナと、送信信号及び受信信号を処理する送受信信号処理部と、を備える。各組の送信アンテナ及び受信アンテナは、送信アンテナから送信され、異常形状がない平面で反射した電磁波を受信アンテナが受信せず、送信アンテナから送信され、異常形状で反射した電磁波のみを受信アンテナが受信するように配置されている。該送受信信号処理部は、各組の送信アンテナに送る所定の周波数の電磁波をｆ１周期の疑似ランダム信号で変調し、各組の受信アンテナによって受信された信号をｆ１より小さいｆ２の周期の疑似ランダム信号で復調することにより、該疑似ランダム信号の１周期の波数及びｆ１−ｆ２によって定まる周期で測定を行い、各組の測定サイクルが一致しないようにしながら各組の受信アンテナによって受信された異常形状から反射された信号を処理するように構成されている。

本態様によれば、電磁波の疑似ランダム信号を使用しているので、周囲の環境の影響を受けにくく、高い精度で異常形状の検出を行うことができる。また、各組の測定サイクルが一致しないようにしているので、相互に干渉を生じることがなく各組ごとに高精度で異常形状を検出することができる。また、電磁波の前記所定の周波数を変えることによって、検出可能な対象物のサイズを変えることができ、前記疑似ランダム信号の周波数を変えることによって検出分解能を変えることができる。

本発明の第１の態様の第１の実施形態によれば、少なくとも一つの組の送信及び受信アンテナが、放出される電磁波の前記平面に平行な面内の方向成分を変えることができるように構成されている。

本実施形態によれば、所定の方向の異常形状が生じやすい場合に、想定される異常形状の方向にしたがって電磁波を放出する方向を変えることにより、効率的に異常形状を検出することができる。

本発明の第２の態様による異常形状検出方法は、平面上の異常形状を検出する異常形状検出方法であって、該平面に平行な面内の方向成分が異なる方向に電磁波を放出するように設置された、複数の組の送信アンテナ及び受信アンテナと、送信信号及び受信信号を処理する送受信信号処理部と、を備え、各組の送信アンテナ及び受信アンテナは、送信アンテナから送信され、異常形状がない平面で反射した電磁波を受信アンテナが受信せず、送信アンテナから送信され、異常形状で反射した電磁波のみを受信アンテナが受信するように配置された異常形状検出装置を使用する。本態様による異常形状検出方法は、該送受信信号処理部が、各組の送信アンテナに送る所定の周波数の電磁波をｆ１周期の疑似ランダム信号で変調し、送信アンテナに送るステップと、各組の送信アンテナが電磁波を放出するステップと、各組の受信アンテナが、同じ組の送信アンテナから放出され、異常形状で反射した電磁波を受信するステップと、該送受信信号処理部が、各組の受信アンテナによって受信された信号をｆ１より小さいｆ２の周期の疑似ランダム信号で復調することにより、各組の測定サイクルが一致しないようにしながら、該疑似ランダム信号の１周期の波数及びｆ１−ｆ２によって定まる周期で異常形状の検出を行うステップと、を含む。

本発明の第２の態様の第１の実施形態によれば、前記送受信信号処理部が、前記複数の組の送信アンテナ及び受信アンテナから得られる情報を組み合わせて、異常形状の形状についての情報を得る。

本実施形態によれば、平面に平行な面内の方向成分が異なる方向に放出された電磁波によって得られる情報から、異常形状の形状について詳細な情報を得ることができる。

本発明の第２の態様の第２の実施形態によれば、前記送受信信号処理部が、所定数の連続する測定サイクルで異常形状を検出した場合に、異常形状が存在すると判断する。

本実施形態によれば、誤検出を防止し、高精度の検出を行うことができる。

本発明の第２の態様の第３の実施形態によれば、異常形状が前記平面上の凸部、または貫通孔及び窪みを含む前記平面上の凹部であり、前記平面上における該異常形状の位置を定める。

本実施形態によれば、凸部、または貫通孔及び窪みを含む凹部を含む、種々の異常形状の平面上の位置を定めることができる。

本発明の第２の態様の第４の実施形態によれば、前記平面が導電性物質である。

本発明の第２の態様の第５の実施形態によれば、前記平面が誘電体である。

電波は金属以外に、樹脂及びプラスチックを含む誘電体にも反射する。その理由は以下の通りである。

電波を誘電率の異なる物体の境界あるいは導体に照射すると、電波は反射する。反射率は、誘電率の差や電気抵抗、反射角によって異なる。導体の抵抗値が低い場合（金属）は、ほぼ100 %反射する。また電波を金属面に照射した時, 電界に従って自由電子が動き、その動き（高周波電流）によって電波が作られるため、反射すると考えられている。自由電子でなくとも、行動が自由な荷電粒子であれば、同様な働きをする。

電流の伝わる速度は光速とほぼ同じで、自由電子の動く範囲は“λ/2”と考えられており、λ/2以下では反射する割合が減るとされている。従って反射には最低でも“λ/4”以上の長さが必要だと考えられる。

本発明の参考態様による異常検出装置は、平面上の異常形状を検出する異常形状検出装置であって、送信アンテナ及び受信アンテナと、送信信号及び受信信号を処理する送受信信号処理部と、を備え、該送信アンテナ及び該受信アンテナは、該送信アンテナから送信され、異常形状がない平面に反射された電磁波を該受信アンテナが受信せず、該送信アンテナから送信され、異常形状に反射された電磁波のみを該受信アンテナが受信するように配置されており、該送受信信号処理部は、該送信アンテナに送る所定の周波数の電磁波をｆ１の周波数の疑似ランダム信号で変調し、該受信アンテナによって受信されたた信号をｆ１より小さいｆ２の周波数の疑似ランダム信号で復調することにより、該疑似ランダム信号の１周期の波数及びｆ１−ｆ２によって定まる測定サイクルで、該受信アンテナによって受信された異常形状から反射された信号を処理するように構成されている。

本態様によれば、電磁波の疑似ランダム信号を使用しているので、周囲の環境の影響を受けにくく、高い精度で異常形状の検出を行うことができる。また、電磁波の前記所定の周波数を変えることによって、検出可能な対象物のサイズを変えることができ、前記疑似ランダム信号の周波数を変えることによって検出分解能を変えることができる。

本発明の参考態様の第１の参考形態によれば、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナが、放出される電磁波の前記平面に平行な面内の方向成分を変えることができるように構成されている。

本参考形態によれば、所定の方向の異常形状が生じやすい場合に、想定される異常形状の方向にしたがって電磁波を放出する方向を変えることにより、効率的に異常形状を検出することができる。

本発明の一実施形態による異常形状検出装置の構成を示す図である。本実施形態に使用される送信用アンテナ及び受信用アンテナの構成の一例を示す図である。１組の送受信アンテナと測定対象の平面との位置関係を示す図である。２組の送受信アンテナと測定対象の平面との位置関係を示す図である。４組の送受信アンテナと測定対象の平面との位置関係を示す図である。１組の送受信アンテナと測定対象の平面との位置関係を示す図である。送受信信号処理部の各組信号処理部の構成を示す図である。電磁波信号処理部の構成を示す図である。検出信号生成部の構成を示す図である時間軸上における測定信号と基準信号とを示す図である。検出分解能を説明するための図である。図３に示した角度θと出力信号レベルとの関係を示す図である。測定対象の平面上に配置した棒状の対象物と送受信アンテナとの位置関係を示す図である。棒状の対象物の向きと異常形状検出装置の出力信号レベルとの関係を示す図である。異常形状検出装置によって検出可能な貫通孔または窪みの大きさを説明するための図である。異常形状検出装置によって検出可能な貫通孔または窪みの大きさを説明するための図である。測定対象の平面上に配置した棒状の対象物と送受信アンテナとの位置関係を示す図である。棒状の対象物の位置と異常形状検出装置の出力信号レベルとの関係を示す図である。異常形状検出装置による異常形状対象物までの距離測定の結果を示す図である。各組信号処理部による検出信号の出力状態を示す図である。本実施形態による異常形状検出装置の動作を説明するための流れ図である。

図１は、本発明の一実施形態による異常形状検出装置１００の構成を示す図である。異常形状検出装置１００は、複数の組の送信アンテナ及び受信アンテナ（１０１Ａ、１０３Ａ及び１０１Ｂ、１０３Ｂ）ならびに送受信信号処理部１０５を備える。送受信信号処理部１０５は、複数の組の送信アンテナ及び受信アンテナ（１０１Ａ、１０３Ａ及び１０１Ｂ、１０３Ｂ）のそれぞれに対応する各組信号処理部（１０５１Ａ及び１０５１Ｂ）及び全体信号処理部（１０５３）を含む。図１においては、２組の送信アンテナ及び受信アンテナのみが示されているが、異常形状検出装置１００は、３以上の任意の数の組の送信アンテナ及び受信アンテナを備えていてもよい。

図２は、本実施形態に使用される送信用アンテナ１０１Ａ、１０１Ｂ及び受信用アンテナ１０３Ａ、１０３Ｂの構成の一例を示す図である。本実施形態においてアンテナは角錐ホーンアンテナである。送信用アンテナ及び受信用アンテナは同一の形状を有する。送信アンテナから送信される電磁波の電界面は、開口面の短い方の辺（長さＡの辺）に平行である。送信アンテナから送信される電磁波の磁界面は、開口面の長い方の辺（長さＢの辺）に平行である。また、アンテナの指向性利得は、一例として２５ｄＢｉである。ここで、指向性利得とは、放射が最大となる放射角におけるエネルギーの強さを、全ての方向に均等に電波を放射する仮想的な等方向性（アイソトロピック）アンテナを基準とするアンテナの利得として表したものである。

図３は、１組の送信アンテナ及び受信アンテナ（１０１Ａ及び１０３Ａ）と測定対象の平面２００との位置関係を示す図である。図３は、測定対象の平面２００に垂直な断面を示す図である。送信アンテナ１０１Ａ及び受信アンテナ１０３Ａは、それぞれの開口面が同一の平面に含まれるように隣接して配置される。送信アンテナ１０１Ａ及び受信アンテナ１０３Ａは、それらの開口面が、図３の紙面に垂直となるように配置される。図３において、電磁波は開口面に垂直な方向に進行し、測定対象の平面２００に角度θで入射する。

図４Ａは、送信アンテナ１０１Ａ及び受信アンテナ１０３Ａ、送信アンテナ１０１Ｂ及び受信アンテナ１０３Ｂと測定対象の平面２００との位置関係を示す図である。図４Ａは、測定対象の平面２００に平行な面を示す図である。図４Ａにおいて、送信アンテナ１０１Ａ及び受信アンテナ１０３Ａ、送信アンテナ１０１Ｂ及び受信アンテナ１０３Ｂは、図を簡単にするために重ねて示している。図４Ａに示した例において、測定対象の平面２００は、矢印の方向に走行する金属ストリップの面である。送信アンテナ１０１Ａ及び受信アンテナ１０３Ａは、それらの開口面が金属ストリップの走行方向と平行となるように配置され、送信アンテナ１０１Ｂ及び受信アンテナ１０３Ｂは、それらの開口面がストリップの走行方向と垂直となるように配置される。また、測定対象の面２００に平行な円形の軌道１１０を設け、少なくとも１組の送受信アンテナが軌道に沿って移動可能な構成としてもよい。

図４Ｂは、送信アンテナ１０１Ａ及び受信アンテナ１０３Ａ、送信アンテナ１０１Ｂ及び受信アンテナ１０３Ｂ、送信アンテナ１０１Ｃ及び受信アンテナ１０３Ｃ、ならびに送信アンテナ１０１Ｄ及び受信アンテナ１０３Ｄと測定対象の平面２００との位置関係を示す図である。図４Ｂは、測定対象の平面２００に平行な面を示す図である。図４Ｂに示した例において、測定対象の平面２００は、金属ストリップの面である。送信アンテナ１０１Ａ及び受信アンテナ１０３Ａならびに送信アンテナ１０１Ｃ及び受信アンテナ１０３Ｃは、それらの開口面が金属ストリップの長手方向と平行となるように配置され、送信アンテナ１０１Ｂ及び受信アンテナ１０３Ｂならびに送信アンテナ１０１Ｄ及び受信アンテナ１０３Ｄは、それらの開口面がストリップの長手方向と垂直となるように配置される。図４Ｂにおいて、異常形状は、点線の円形内に生じるとした。４組の送受信アンテナを使用することにより、異常形状についてより多くの情報を得ることができる。なお、４組の送受信アンテナの信号処理については後で説明する。

図４Ｃは、１組の送信アンテナ及び受信アンテナ（１０１Ａ及び１０３Ａ）と測定対象の平面２００との位置関係を示す図である。図４Ｃは、測定対象の平面２００に平行な面を示す図である。１組の送信アンテナ及び受信アンテナ（１０１Ａ及び１０３Ａ）は、測定対象の面２００に平行な円形の軌道１１０に沿って移動可能なように構成されている。あるいは、２組または４組の送受信アンテナを設けて、それぞれの組の送受信アンテナが限定された範囲において移動可能なように構成してもよい。図４Ｃにおいて、異常形状は、点線の円形内に生じるとした。このように、送受信アンテナを移動可能に構成することにより、異常形状についてより多くの情報を得ることができる。

上記のような構成とすると、測定対象面２００に対して所望の方向から電磁波を放出し異常形状の検出を行うことができる。たとえば、測定対象が所定の方向に移動している場合などは、移動する方向の傷など異常形状が生じやすい場合がある。あるいは、測定対象に加工を行うため、所定の方向の加工傷などの異常形状が生じやすい場合がある。このような場合に、想定される異常形状の方向にしたがって電磁波を放出する方向を変えることにより、効率的に異常形状を検出することができる。

図５は、送受信信号処理部１０５の各組信号処理部１０５１Ａの構成を示す図である。各組信号処理部１０５１Ａは、電磁波信号処理部１０５１１Ａと、検出信号生成部１０５１３Ａと、を含む。電磁波信号処理部１０５１１Ａは、送信される電磁波の信号を生成し、送信アンテナ１０１Ａに送る。また、受信アンテナ１０３Ａによって受信された電磁波から基準信号、Ｉ信号及びＱ信号を生成する。検出信号生成部１０５１３Ａは、電磁波信号処理部１０５１１Ａから基準信号、Ｉ信号及びＱ信号を受け取り、これらの信号を使用して異常形状を有する対象物の検出信号及び該対象物までの距離データを生成する。電磁波信号処理部１０５１１Ａ及び検出信号生成部１０５１３Ａの詳細については後で説明する。

図６は、電磁波信号処理部１０５１１Ａの構成を示す図である。電磁波信号処理部１０５１１Ａは、搬送波発振器５０１と、拡散符号発生器５０３及び５０５と、掛算器５０７、５０９、５１１、５１３及び５１５と、分配器５１７、５１８、５１９及び５２０と、ローパスフィルタ５２１、５２３及び５２４と、位相シフト器５２５及び５２７と、を含む。

搬送波発振器５０１は、一例として、周波数２４ＧＨｚの搬送波(マイクロ波)を生成する。拡散符号発生器５０３は、第１の疑似ランダム信号である第１のＭ系列信号を生成する。一例として、第１のＭ系列信号の周波数ｆ_Ｍ１は、５００ＭＨｚであり、Ｍ系列の１周期の波数は、１２７（＝２^７−１）である。一般的に１周期の波数は、ｎがシフトレジスタの段数であるとして、２^ｎ−１である。掛算器５０７によって搬送波発振器５０１によって生成された搬送波に、拡散符号発生器５０３によって生成された第１のＭ系列信号が乗じられ搬送波は第１のＭ系列信号によって拡散される。つぎに、第１のＭ系列信号によって拡散された搬送波は、分配器５１８によって２個の信号に分けられ、一方の信号は送信アンテナ１０１Ａに送られ送信アンテナ１０１Ａから放出される。他方の信号は、掛算器５１５に送られる。

なお、本実施形態では疑似ランダム信号としてＭ系列信号を使用しているが、Ｍ系列の代わりにGold系列を使用してもよい。

送信アンテナ１０１Ａから放出され、測定対象物によって反射された、第１のＭ系列信号によって拡散された搬送波は、受信アンテナ１０３Ａによってとらえられ、拡散符号発生器５０５によって生成された周波数ｆ_Ｍ２の第２のＭ系列信号が乗じられ、受信された電磁波の信号が逆拡散される。ここで、一例として、第２のＭ系列信号の周波数ｆ_Ｍ２は、４９９．６ＭＨｚであり、第１のＭ系列信号の周波数ｆ_Ｍ１よりもわずかに小さい。第２のＭ系列信号のＭ系列は、第１のＭ系列信号のＭ系列と同じであり、１周期の波数は、１２７（＝２^７−１）である。

逆拡散された信号は、分配器５１９によって２個の信号に分けられ、位相シフト器５２５及び５２７によって、９０°の位相差の２個の信号が生成される。他方、搬送波発振器５０１によって生成された搬送波は、分配器５１７によって２個の信号に分けられ、掛算器５１１及び５１３によって、それぞれ、９０°の位相差の２個の信号に乗じられ、それぞれ、ローパスフィルタ５２１及び５２３を通過させてＩ信号出力及びＱ信号出力が生成される。

なお、本実施形態では受信した信号に位相差をつけているが、送信する信号に位相差をつけてもよい。

分配器５１８の出力である、第１のＭ系列信号によって拡散された搬送波の信号に、掛算器５１５によって拡散符号発生器５０５の出力が乗じられ、ローパスフィルタ５２４を通過させて基準信号が生成される。

ここで、検出信号生成部１０５１３Ａについて説明する。上述のように、検出信号生成部１０５１３Ａは、電磁波信号処理部１０５１１Ａから基準信号、Ｉ信号及びＱ信号を受け取り、これらの信号を使用して異常形状を有する対象物の検出信号及び該対象物までの距離データを生成する。

図７は、検出信号生成部１０５１３Ａの構成を示す図である。検出信号生成部１０５１３Ａは、二乗器６０１、６０５、加算器６０３、角度演算器６０７、位相検出部６１３、最大値検出部６０９及び６１１、出力判定部６１５、時間測定部６１７、及び距離測定部６１８を含む。Ｉ信号及びＱ信号は、それぞれ、二乗器６０１及び６０５によって二乗され、加算器６０３によって加算されて測定信号が生成される。また、角度演算器６０７及び位相検出器６１３によって、Ｉ信号及びＱ信号から測定信号の位相が求められる。

図８Ａは、時間軸上における測定信号と基準信号とを示す図である。ここで、基準信号の最大値は、最大値検出部６０９によって求められ、測定信号の最大値は、最大値検出部６１１によって求められる。

上記の基準信号が最大値となる周期をＴ_Ｂとすると、Ｔ_Ｂ間に含まれる第１のＭ系列信号と第２のＭ系列信号の波数の差がちょうどＭ系列の１周期の波数Ｎになる。

Ｔ_Ｂ・ｆ_Ｍ１＝Ｔ_Ｂ・ｆ_Ｍ２＋Ｎ
この式を整理して以下の式が得られる。
Ｔ_Ｂ＝Ｎ／（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）（１）
２つのＭ系列信号の周波数の差が小さいほど、基準信号が最大値となる周期Ｔ_Ｂは大きくなる。ここで、ＮはＭ系列の１周期の波数であり、以下の式によってあらわせる。

Ｎ＝２^ｎ−１＝１２７（２）
ここで、ｎは、上述のようにシフトレジスタの段数である。

また、（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）は以下のとおりである。
ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２＝５００ＭＨｚ−４９９．６ＭＨｚ＝４００ｋＨｚ

ここで、基準信号が最大値となる時刻から、つぎに最大値となる時刻までの期間を測定サイクルと呼称する。
Δｆ_ｍ＝ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２
とすると、式（１）は、以下のように表せる。
Ｔ_Ｂ＝（２^ｎ−１）／ Δｆ_ｍ（２）’

つぎに、送信アンテナ１０１Ａから放出され、測定対象物によって反射された、第１のＭ系列信号によって拡散された搬送波が受信されるまでの時間をτとし、測定信号が発生する時刻を、基準信号のパルス状信号発生時刻から計測した時間差をＴ_Ｄとすると、Ｔ_Ｄ間に発生する第２のＭ系列信号の波数は、Ｔ_Ｄ間に発生する第１のＭ系列信号の波数より、時間τに発生する第１のＭ系列信号の波数だけ少ないので、次式が成立する。
Ｔ_Ｄ・ｆ_Ｍ２＝Ｔ_Ｄ・ｆ_Ｍ１−τ・ｆ_Ｍ１
上式を整理するとＴ_Ｄは次の以下の式で与えられる。
Ｔ_Ｄ＝τ・ｆ_Ｍ１／（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）（３）
すなわち、伝播時間τは、ｆ_Ｍ１／（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）倍だけ時間的に拡大され、あるいは低速化されたＴ_Ｄとして測定される。

出力判定部６１５によって、測定信号の最大値と閾値が比較される。測定信号の最大値が閾値より小さければ、検出信号は出力されず、距離測定も行われない。

ここで、距離測定について説明する。伝播時間τは、電磁波の伝播速度をｃ、対象物までの距離をｌとすると
τ＝２ｌ／ｃ
であるから以下の式が得られる。
ｌ＝（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）・ｃ・Ｔ_Ｄ／（２ｆ_Ｍ１）
＝Δｆ_ｍ・ｃ・Ｔ_Ｄ／（２ｆ_Ｍ１）（４）
式（３）により時間差Ｔ_Ｄを測定することにより、距離ｌを求めることができる。時間差の測定は、時間測定部６１７によって行われる。

また、位相検出部６１８によって求めた位相と時間測定部６１７によって求めた時間差とを組み合わせて、より高い精度で距離を求めることもできる。位相を使用した精密距離測定は、たとえば、特開２００９-９８０９７公報に開示されている。

つぎに、本実施形態による異常形状検出装置の検出分解能、すなわち、識別可能な２個の異常形状の間の距離について説明する。式(４)においてＴＤ＝１としたときのｌをｌ’とすると、以下の式が成立する。
ｌ’＝（ｃ／２）・（Δｆ_ｍ・／ｆ_Ｍ１）（５）
式（５）より、検出分解能ｗidthは、
width=ｌ’ ・（1／Δｆ_ｍ）・２＝ｃ／ｆ_Ｍ１
したがって、検出分解能は、Ｍ系列周波数に依存する。ｆ_Ｍ１＝５００ＭＨｚとすると、検出分解能は６００ｍｍである。

図８Ｂは、検出分解能を説明するための図である。

このように、本発明の異常形状検出装置によれば、Ｍ系列周波数を変更することによって検出分解能を変更することができる。

ここで、本実施形態による異常形状検出装置は、複数の組の送信アンテナ及び受信アンテナならびに、該複数の組と同数の各組信号処理部を備える。複数の組のうちのそれぞれの組の送信アンテナ及び受信アンテナは、それぞれ、１個の各組信号処理部と対応している。

一例として、２個の各組信号処理部１０５１Ａ及び１０５１Ｂが備わるとする。各組信号処理部１０５１Ａは、第１の拡散符号発生器５０３Ａ及び第２の拡散符号発生器５０５Ａを備える。各組信号処理部１０５１Ｂは、第１の拡散符号発生器５０３Ｂ及び第２の拡散符号発生器５０５Ｂを備える。

ここで、各組信号処理部１０５１Ａ及び各組信号処理部１０５１Ｂを、それぞれの測定サイクルが異なるタイミングで生成されるように構成する。具体的に、基準信号の生成タイミングをずらすようにしてもよい。この結果、複数の組の送受信信号の干渉を防止することができ、複数の組の送受信信号により、高い精度で複数のデータを得ることができる。また、他の実施形態として、ｆ_Ｍ１及びｆ_Ｍ２の一方の値を変えて、（ｆ_Ｍ１−ｆ_Ｍ２）が相互に異なるように定めてもよい。

表１は、本実施形態による異常形状検出装置の仕様を示す表である。

図９は、図３に示した角度θと出力信号レベルとの関係を示す図である。ここで、測定対象面は、アルミニウムの平面である。図９の横軸は、角度θを表し、図９の縦軸は出力信号レベルを表す。図９において、角度θが６５度より大きい場合に出力信号レベルが大きくなっている理由は、受信アンテナが、測定対象の平面２００によって反射される信号を検出するためである。したがって、受信アンテナが、測定対象の平面２００によって反射される信号を検出しないようにするために角度θは６５度以下であることが好ましい。他方、異常形状に相当するものとして直径１．０ｍｍ以上の棒状の対象物を測定対象の平面２００上に配置して反射される信号を測定すると、角度θが４０度以上の場合に出力信号のレベルが十分な大きさとなる。したがって、測定対象の平面２００上の異常形状を高精度で検出するには、角度θが４０度以上であることが好ましい。このように角度θは、４０度以上で６５度以下であることが好ましい。図９のデータは、送受信アンテナの開口面と対象物との間の距離が５００ｍｍ、７５０ｍｍ、１０００ｍｍ及び１２００ｍｍの場合のものである。送受信アンテナの開口面と対象物との間の距離については、後で説明する。

図１０は、測定対象の平面２００上に配置した棒状の対象物２０１と送受信アンテナ１０１Ａ及び１０３Ａとの位置関係を示す図である。図１０は、測定対象の平面２００に平行な面を示す図である。図１０において、送信アンテナ１０１Ａ及び受信アンテナ１０３Ａは、図を簡単にするために重ねて示している。図１０において、棒状の対象物２０１は、送受信アンテナ１０１Ａ及び１０３Ａの開口面と平行となるように配置されている。この場合に、送信アンテナ１０１Ａから放出された電磁波の進行方向と棒状の対象物２０１長手方向とは９０°の角度をなす。このときの棒状の対象物２０１の向きを基準として、測定対象の平面２００上で棒状の対象物２０１を回転させ、基準の向きからの角度をφとする。

図１１Ａは、棒状の対象物２０１の向きと異常形状検出装置１００の出力信号レベルとの関係を示す図である。図１１Ａの横軸は、図１０における角度Φを表し、図１１Ａの縦軸は出力信号レベルを表す。棒状の対象物２０１の材質は、アルミニウムであり、直径は、３．０ｍｍである。なお、実験によれば、直径０．６ｍｍまでの棒状の対象物の検出が可能であった。異常形状検出装置１００の出力信号レベルは、棒状の対象物２０１が基準の向きの場合に最大であり、基準の向きからの角度が増加するにしたがって減少する。図１１Ａによれば、有効な出力信号レベルが得られるのは、基準の向きからの角度が１５度以下の場合である。図１１Ａのデータは、送受信アンテナの開口面と対象物との間の距離が１０００ｍｍの場合のものである。送受信アンテナの開口面と対象物との間の距離については、後で説明する。

ここで、本実施形態による異常形状検出装置が検出可能な異常形状の大きさについて説明する。図１０に示すφ＝０の配置で、測定対象の平面２００上の異常形状２０１を検出する場合に、検出可能な異常形状を有する対象物の長さｄは、搬送波の波長をλとして、
ｄ≧λ／４
である。本実施形態では、搬送波の周波数が２４ＧＨｚであるので、λ＝１２．５ｍｍであり、検出可能な対象物の長さは、約３ｍｍ以上である。搬送波の周波数を増加させることによって検出可能な対象物の長さをさらに減少させることができる。ここで、異常形状は、測定対象の平面２００上の突起物(凸部)であってもよい。突起物の場合には、突起物の側面によって電磁波が反射され受信アンテナによって検出される。あるいは、異常形状は、測定対象の平面２００上の貫通孔や窪みを含む凹部であってもよい。貫通孔の場合には、穴の内側の側面の部分によって電磁波が反射され受信アンテナによって検出される。窪みの場合には、窪みの内側の斜面によって電磁波が反射され受信アンテナによって検出される。

図１１Ｂ及び図１１Ｃは、異常形状検出装置１００によって検出可能な貫通孔または窪みの大きさを説明するための図である。ここで、貫通孔または窪みは円形とする。

図１１Ｃに示す弧は、貫通孔の周囲の円の一部である。弧の中心点の接線に対して約１５度以下の傾きを有するのは、接線方向の長さが直径の半分の長さの弧の部分である。したがって、貫通孔を有効に検出するには、直径の半分の長さがλ／４以上、すなわち、直径の長さがλ／２以上であることが必要である。

図１２は、測定対象の平面２００上に配置した棒状の対象物２０１と送受信アンテナ１０１Ａ及び１０３Ａとの位置関係を示す図である。図１２は、測定対象の平面２００に垂直な断面を示す図である。図１２において、送受信アンテナ１０１Ａ及び１０３Ａの開口面と棒状の対象物との距離をｌで表す。

図１２において、測定された対象物２０１までの距離をｌとし、測定対象の平面２００からアンテナまでの距離をＬとして、測定対象の平面２００上の対象物２０１の位置を以下の式から求めることができる。

図１３は、棒状の対象物２０１の位置と異常形状検出装置１００の出力信号レベルとの関係を示す図である。図１３は、送受信アンテナの開口面と対象物との間の距離、すなわち、図１２のｌが、５００ｍｍ、７５０ｍｍ、１０００ｍｍ及び１２００ｍｍの場合の上記の関係を示す。図１３の横軸は、棒状の対象物２０１の位置を表し、図１３の縦軸は、異常形状検出装置１００の出力信号レベルを表す。図１２において、棒状の対象物２０１を測定対象の面２００上で移動させ、異常形状検出装置１００の出力信号レベルが最も高い位置、あるいは出力信号レベルが最も高い範囲の中心を定め、その位置を基準点とする。図１３の横軸において基準点は０で示した。図１３によれば、検出に有効な出力信号レベルが得られる範囲は、ｌ＝５００ｍｍの場合には、約４５０ｍｍであり、ｌ＝１２００ｍｍの場合に約６５０ｍｍである。

このように、本発明の異常形状検出装置によれば、上述の検出可能範囲のいずれの場所であっても、また、どのような形状であっても異常形状を検出することができる。

また、測定対象物は、金属を含む導電性物質であってもプラスチックや食品を含む誘電体であってもよい。一般的に、測定対象物に対する電磁波の反射率は、測定対象物の誘電率や電気抵抗によって異なる。たとえば、樹脂の反射率は、金属の対象物の反射率の３０％以下である。

さらに、上述にように、搬送波の周波数を変更することによって、検出可能な対象物のサイズを変更することができる。

つぎに、本実施形態による異常形状検出装置の測定周期について説明する。式（１）及び（２）から、
Ｔ_Ｂ＝１２７／４００ｋＨｚ＝３．１７５ｘ１０^−４（秒）
である。一例として、測定対象が走行するストリップであり、ストリップ走行速度が１０００ｍ／分であるとして、上記の測定周期の間の走行距離は、５．３ｍｍである。同様にストリップ走行速度が１００ｍ／分であるとして、上記の測定周期の間の走行距離は、０．５３ｍｍである。他方、本実施形態による異常形状検出装置の検出範囲は、上述のように４５０ｍｍ乃至６５０ｍｍであるので、この走行距離は無視しうる大きさである。

図１４は、異常形状検出装置による異常形状対象物までの距離測定の結果を示す図である。測定は、図１２に示す状態で行った。図１４の横軸は、対象物の移動距離を表し、図１４の縦軸は検出距離(左側の目盛り)及び検出距離と理論距離との偏差（右側の目盛り）を表す。検出距離の理論距離に対する偏差は、最大約５ｍｍである。たとえば、特開２００９-９８０９７公報に開示されている補正を行うことによって偏差は１ｍｍ以内とすることができる。

図１５は、本実施形態による異常形状検出装置１００の全体信号処理部１０５３の動作を説明するための流れ図である。

図１５のステップＳ０１０において、全体信号処理部１０５３は、いずれかの組の送受信アンテナが、所定の時間連続して異常形状を検出したかどうか判断する。いずれかの組の送受信アンテナが、所定の時間連続して異常形状を検出した場合には、ステップＳ０２０へ進む。所定の時間連続して検出することを条件とするのは誤検出を防止し、高精度の検出を行うためである。本実施形態において、測定周期は、３．１７５ｘ１０^−４（秒）であるので、上記の所定の時間を１ミリ秒とすると、３回連続して異常形状を検出した場合に異常形状を検出したと判断される。他方、上述のように、ストリップ走行速度が１０００ｍ／分であるとして、１ミリ秒の間の走行距離は、１６．７ｍｍである。この走行距離は、上述の検出範囲に比較して十分に小さい。

図１５のステップＳ０２０において、全体信号処理部１０５３は、異常形状を検出した組に識別フラグを立てる。

図１６は、各組信号処理部による検出信号の出力状態を示す図である。図の水平方向は、時間の推移を示す。点線で区切られた区間は１ミリ秒である。区間の丸印は、フラグが立っていることを示す。たとえば、第１の組の検出信号について、ある区間に丸印があることは、第１の組の信号処理部がその区間において検出信号を出力していいたことを示す。

図１５のステップＳ０３０において、全体信号処理部１０５３は、識別フラグが立っている組のデータを収集し、異常形状の判定を行う。一例として、図４に示すように互いに直交する方向に配置された２組の送受信アンテナ１０１Ａ、１０３Ａ及び１０１Ｂ及び１０３Ｂによって異常が検出された場合には、広がりをもった異常形状であると判定する。また、１組の送受信アンテナによってのみ異常が検出された場合には、送受信アンテナの開口面とほぼ平行なほぼ線状の異常形状であると判定する。一例として、全体信号処理部１０５３は、図１６において第１及び第２の組の検出信号に丸印が付されている区間に全体の検出信号のフラグを立てる。全体信号処理部１０５３は、たとえば、全体の検出信号のフラグが立っている区間において広がりをもった異常形状が存在すると判断し、広がりをもった異常形状の検出信号を出力する。

図１５のステップＳ０４０において、異常形状検出装置１００は、所定の条件に基づいて検出を継続するかどうか判断する。所定の条件は、たとえば、測定対象の面２００が存在すること、及び検出モードに設定されていることなどである。検出を継続すると判断した場合には、ステップＳ０１０に戻る。検出を継続しないと判断した場合には、処理を終了する。

本発明の異常形状検出装置は、疑似ランダム信号を使用するので、周囲の環境の影響を受けることなく、また、複数の組の測定が相互に干渉することなく高い精度で異常形状を検出することができる。さらに、本発明の異常形状検出装置によれば、検出可能範囲のいずれの場所であっても、またどのような形状であっても異常形状を検出することができる。また、測定対象物は、金属を含む導電性物質であってもプラスチックや食品を含む誘電体であってもよい。さらに、搬送波の周波数を変更することによって、検出可能な対象物のサイズを変更し、Ｍ系列周波数を変更することによって検出分解能を変更することができる。

Claims

平面上の異常形状を検出する異常形状検出装置であって、
該平面に平行な面内の方向成分が異なる方向に電磁波を放出するように設置された、複数の組の送信アンテナ及び受信アンテナと、
送信信号及び受信信号を処理する送受信信号処理部と、を備え、
各組の送信アンテナ及び受信アンテナは、送信アンテナから送信され、異常形状がない平面で反射した電磁波を受信アンテナが受信せず、送信アンテナから送信され、異常形状で反射した電磁波のみを受信アンテナが受信するように配置されており、
該送受信信号処理部は、各組の送信アンテナに送る所定の周波数の電磁波をｆ１の周波数の疑似ランダム信号で変調し、各組の受信アンテナによって受信された信号をｆ１より小さいｆ２の周波数の疑似ランダム信号で復調することにより、該疑似ランダム信号の１周期の波数及びｆ１−ｆ２によって定まる測定サイクルで、各組の測定サイクルが異なるタイミングで発生するようにしながら各組の受信アンテナによって受信された異常形状から反射された信号を処理するように構成された異常形状検出装置。
少なくとも一つの組の送信及び受信アンテナが、放出される電磁波の前記平面に平行な面内の方向成分を変えることができるように構成された請求項１に記載の異常形状検出装置。
平面上の異常形状を検出する異常形状検出方法であって、該平面に平行な面内の方向成分が異なる方向に電磁波を放出するように設置された、複数の組の送信アンテナ及び受信アンテナと、送信信号及び受信信号を処理する送受信信号処理部と、を備え、各組の送信アンテナ及び受信アンテナは、送信アンテナから送信され、異常形状がない平面で反射した電磁波を受信アンテナが受信せず、送信アンテナから送信され、異常形状で反射した電磁波のみを受信アンテナが受信するように配置された異常形状検出装置を使用し、
該送受信信号処理部が、各組の送信アンテナに送る所定の周波数の電磁波をｆ１の周波数の疑似ランダム信号で変調し、送信アンテナに送るステップと、
各組の送信アンテナが電磁波を放出するステップと、
各組の受信アンテナが、同じ組の送信アンテナから放出され、異常形状で反射した電磁波を受信するステップと、
該送受信信号処理部が、異常形状の検出を行うように、各組の受信アンテナによって受信された信号をｆ１より小さいｆ２の周波数の疑似ランダム信号で復調することにより、該疑似ランダム信号の１周期の波数及びｆ１−ｆ２によって定まる測定サイクルで、各組の測定サイクルが一致しないようにしながら各組の受信アンテナによって受信された異常形状から反射された信号を処理するステップと、を含む異常形状検出方法。
前記送受信信号処理部が、前記複数の組の送信アンテナ及び受信アンテナから得られる情報を組み合わせて、異常形状の形状についての情報を得る請求項３に記載の異常形状検出方法。
前記送受信信号処理部が、所定数の連続する測定サイクルで異常形状を検出した場合に、異常形状が存在すると判断する請求項３または４に記載の異常形状検出方法。
異常形状が前記平面上の凸部、または貫通孔及び窪みを含む前記平面上の凹部であり、前記平面上における該異常形状の位置を定める請求項３から５のいずれかに記載の異常形状検出方法。
前記平面が導電性物質である請求項３から６のいずれかに記載の異常形状検出方法。
前記平面が誘電体である請求項３から６のいずれかに記載の異常形状検出方法。