JP5132741B2 - 状態判定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、物体の状態を判定する状態判定装置及び方法に関する。

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または穴や破れなどの欠損の有無を検出して分別する方法が提案されている。ここで、この欠損の有無の検出方法として、超音波を用いて検出する方法がある。

このような音波を用いた検出方法では、被検体の穴を検出しようとした場合、穴を直接透過してくる超音波は強度が高くかつ回折しやすいため、穴の位置にある受信センサで透過波が検出されるだけでなく、回折波のうち比較的強度の高い波を隣接する受信センサが受信してしまい、穴の大きさを誤認してしまう。

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

本発明が解決しようとする課題は、欠損の有無及び欠損の状態を高精度に判定することができる状態判定装置及び方法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、１以上の受信部、検出部、及び判定部を含む。送信部は、超音波を生成し超音波信号を送信する。１以上の受信部は、被検体を透過した前記超音波信号を受信して第１受信信号をそれぞれ取得する。検出部は、前記受信部ごとの前記第１受信信号の第１波高値を測定し、該第１波高値が第１閾値以上の第１受信信号があるかどうかを検出する。判定部は、前記第１波高値が前記第１閾値以上の第１受信信号がある場合、該第１受信信号を、前記被検体の欠損部分を透過した可能性がある欠損候補信号として判定する。検出部は、前記欠損候補信号がある場合、該欠損候補信号を受信した受信部において、該欠損候補信号を受信した時間から所定期間の１以上の整数倍だけ経過したときに受信した第２受信信号の第２波高値を測定し、該第２波高値が第２閾値以上の第２受信信号があるかどうかを検出する。判定部は、前記第２波高値が第２閾値以上の第２受信信号がある場合、該欠損候補信号を、前記被検体の欠損部分を透過した欠損信号として判定する。

また、状態判定装置は、送信部、１以上の受信部、検出部、判定部、及び計算部を含む。送信部は、超音波を生成し超音波信号を送信する。１以上の受信部は、被検体を透過した前記超音波信号を受信して第１受信信号をそれぞれ取得する。検出部は、前記受信部ごとの前記第１受信信号の波高値を測定し、該波高値が第１閾値以上の第１受信信号があるかどうかを検出する。判定部は、前記波高値が前記第１閾値以上の第１受信信号がある場合、該第１受信信号を、前記被検体の欠損部分を透過した可能性がある欠損候補信号として判定する。計算部は、前記欠損候補信号ごとに、該欠損候補信号の波高値の包絡線の減衰率を計算し、該減衰率が所定の減衰率に達するまでの減衰時間を測定する。判定部は、前記減衰時間が第２閾値以内である場合は、前記欠損候補信号を、前記被検体の欠損部分を透過した欠損信号として判定する。

また、状態判定装置は、送信部、受信部、検出部、判定部、及び算出部を含む。送信部は、超音波を生成し超音波信号を送信する。受信部は、被検体を透過した前記超音波信号を受信して第１受信信号をそれぞれ取得する。検出部は、前記受信部ごとの前記第１受信信号の波高値を測定し、前記波高値が第１閾値以上の第１受信信号があるかどうかを検出する。判定部は、前記第１受信信号の前記波高値が第１閾値以上である場合、該第１受信信号を、前記被検体の欠損部分を透過した可能性がある欠損候補信号として判定する。算出部は、前記欠損候補信号ごとに、該欠損候補信号の周波数特性を示す第１特性と前記被検体を透過する前の周波数特性を示す第２特性とを算出する。判定部は、前記第１特性と前記第２特性との差分が第２閾値以内であれば、前記欠損候補信号を、前記被検体の欠損部分を透過した欠損信号として判定する。

実施形態の状態判定装置を示すブロック図。 実施形態の状態装置の送信部及び受信部と被検体との配置の一例を示す図。 実施形態の状態判定装置の判定処理を示すフローチャート。 実施形態の状態判定装置により検出される受信信号の一例を示す図。 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。 実施形態の第１の変形例の状態判定装置を示すブロック図。 実施形態の第１の変形例の状態判定装置の動作を示すフローチャート。 実施形態の第２の変形例の状態判定装置を示すブロック図。 実施形態の第２の変形例の状態判定装置の動作を示すフローチャート。

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及び方法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。
実施形態の状態判定装置について図１を参照して説明する。
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、検出部１０６、及び欠損位置判定部１０７を含む。
送信制御部１０１は、超音波信号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、超音波信号を送信する。超音波は、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を有する超音波信号を被検体に照射することができる。超音波信号の送信間隔は、一定間隔ごとでもよいし、後述する被検体１５０の測定箇所ごとに１度だけ送信してよい。

受信部１０３は、１以上設置され、被検体１５０を透過した超音波信号を受信し、受信信号を得る。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、受信部１０３から受信信号を受け取り、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。
検出部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波高値を測定し、閾値以上の波高値を有する受信信号があるかどうかを検出する。なお、波高値は、信号強度、電流値、電圧値、及び電力値などのいずれかの波高値を計測すればよい。

欠損位置判定部１０７は、検出部１０６から閾値以上の波高値を有する受信信号を受け取り、この受信信号を欠損候補信号であると判定する。欠損候補信号は、受信部１０３が受け取る受信信号が被検体を透過した位置に穴や破れなどの欠損の可能性があることを示す信号である。欠損位置判定部１０７は、所定期間経過後の欠損候補信号が閾値以上である場合に、欠損信号であると判定する。欠損信号は、欠損候補信号が被検体を透過する位置に欠損があることを示す信号である。また、欠損位置判定部１０７は、欠損信号が被検体を透過した位置を欠損位置として判定する。
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との間に設置され、搬送ローラ、ベルトなどにより同一方向に搬送される。

次に、送信部１０２及び受信部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に示すように実施形態の状態判定装置では、１つの送信部１０２と、送信部１０２よりも小さい受信部１０３を１つ以上直列に整列させた受信部アレイ２０１が対向して配置される。また、被検体１５０が、送信部１０２と受信部アレイ２０１との間に設置される。被検体１５０の検査は、送信部１０２から超音波信号が照射され、被検体１５０を透過した透過波を受信部アレイ２０１の各受信部１０３で受信することによりおこなわれる。なお、送信部１０２と受信部１０３との距離は、受信部１０３が送信部１０２からの超音波信号を受信可能な距離であって、かつ多重反射した受信信号を受信できる距離であればよい。多重反射は、通常の測定において受信信号が受信部１０３において反射し、さらに送信部１０２において反射され再び受信部１０３で受信されることを示す。ここで、他の物体により多重反射した受信信号が影響受けないように、超音波信号の周波数または信号強度、送信部１０２と受信部１０３との距離、送信部１０２と受信部１０３との大きさを設定することが望ましい。

穴などを透過して直接受信された超音波信号は信号強度が大きくなり、被検体を透過した超音波信号では信号強度が弱くなる。よって、受信した複数の超音波信号のうち、他の信号よりも信号強度が大きければ、穴などの欠損部分を透過した超音波信号ということになり、被検体に欠損があるということが検出できる。また、受信部１０３は、それぞれＩＤが振られ、どこの受信部１０３で受信した信号であるかを判定することができる。さらに、受信部１０３のそれぞれの位置がわかれば、受信信号と超音波信号が被検体を透過した位置とが対応付いているため、被検体１５０のどの位置に欠損があるかということを判定することができる。

次に、実施形態の状態判定装置の判定処理について図３のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ３０１では、送信部１０３から超音波信号が送信される。その後、検出部１０６が、各受信部１０３で超音波信号を受信して増幅部１０４及びＡ／Ｄ変換部１０５を介して受け取った受信信号の波高値を測定する。波高値の測定は、受信部アレイ２０１の全ての受信部１０３の受信信号の波高値を、アンプを介してマルチチャンネルロガーなどで並列に読み取りをおこなえばよい。
ステップＳ３０２では、検出部１０６が、受信信号ごとに、波高値が閾値以上の受信信号があるかどうかを検出する。受信信号のうち、波高値が閾値以上の受信信号が１以上ある場合、ステップＳ３０３へ進み、波高値が閾値以上の受信信号が１つもない場合、次にサンプリングされた受信信号に対して同様の検出処理を繰り返す。

ステップＳ３０３では、欠損位置判定部１０７が、波高値が閾値以上の受信信号を欠損候補信号として判定する。波高値が閾値以上である場合は、その受信信号は被検体１５０を透過せずに穴などを透過して直接受信された可能性が高いので、受信信号が被検体１５０を透過した位置は何らかの欠損が生じていると考えられるからである。なお、閾値は、例えば、予め欠損のない被検体を透過した透過波を測定し、この透過波を受信した受信信号の波高値の平均値を閾値とすればよい。
ステップＳ３０４では、検出部１０６が、欠損候補信号を受信した時点から、送信部１０２と受信部１０３との間の距離を信号が往復する時間を経過したときの、多重反射した受信信号の波高値を測定する。

ステップＳ３０５では、検出部１０６が、欠損候補信号を受信した受信部１０３で、波高値が閾値以上の多重反射した受信信号があるかどうかを、受信信号ごとに検出する。なお、多重反射が発生する周期は一定であり、送信部１０２と受信部１０３との間の距離を超音波信号が往復する時間の整数倍で発生する。従って、多重反射した信号を検出する場合は、１度反射した受信信号に限らず、送信部１０２と受信部１０３との間の距離を超音波信号が往復する時間の整数倍のタイミングであって、欠損候補信号の波高値が欠損候補信号以外の受信信号の波高値と区別できる大きさとなるタイミングであればよい。また、ステップＳ３０５における閾値は、ステップＳ３０２における閾値よりも小さい値に設定するとする。多重反射した受信信号の波高値が閾値よりも小さい場合、ステップＳ３０６へ進み、多重反射した受信信号の波高値が閾値以上であれば、ステップＳ３０７へ進む。
ステップＳ３０６では、欠損位置判定部１０７が、受信信号を回折波と判定する。
ステップＳ３０７では、欠損位置判定部１０７が、受信信号を欠損信号と判定する。
ステップＳ３０８では、欠損位置判定部１０７が、欠損信号を受信した受信部１０３の位置を特定する。これにより、受信部１０３の位置が被検体１５０における欠損の位置に対応するので、欠損の位置と大きさとを判定することができる。なお、欠損位置の座標を外部に出力してもよい。以上で、状態判定装置１００の判定処理を終了する。

次に、実施形態の状態判定装置１００により検出された受信信号の一例を図４及び図５を参照して説明する。なお、ここでは、ＩＤ「２」と「３」の受信部１０３で受信する超音波信号が被検体１５０を透過する位置に欠損が生じていると仮定する。
図４に示すように、各受信部１０３にはＩＤが付与され、ここでは４つの受信部１０３で受信した受信信号が示される。信号４０１には大きな振動が見られ、波高値が高くなっている。また、ＩＤ「２」及びＩＤ「３」の受信部１０３に隣接するＩＤ「１」及びＩＤ「４」の受信部１０３で受信した信号４０２も、通常の透過波よりも波高値が高くなっている。これは、ＩＤ「２」及びＩＤ「３」の受信部１０３が受け取る超音波信号の回折波が、隣接する受信部１０３でも受信されるためである。すなわち、信号強度が高い回折波により、他の受信部１０３でも欠損部分を透過してきたかのような超音波信号を受信することになる。

そこで、信号の多重反射も含めて判定処理をおこなう場合を図５に示す。
始めに、全ての受信部１０３において受信信号の波高値が大きくなっている部分があるが、これは送信部１０２において超音波信号を生成するために印加電圧をかけたときの信号を検出したものである。全ての受信部１０３において印加電圧を検出した後、次に受信信号の波高値が大きい波高値５０１は、ＩＤ「２」及びＩＤ「３」の受信部１０３が、被検体１５０の欠損部分を透過した信号強度の高い超音波信号を受け取り、隣接する受信部１０３が、この超音波信号の回折波を受け取った場合を示す。
さらに、波高値５０２は、多重反射した超音波信号を示し、送信部１０２と受信部１０３との間の距離を超音波信号が往復する期間５０３を経過して再び受信部１０３において受信された受信信号である。また、多重反射した場合の回折波は、透過波に影響を及ぼさない程度に小さくなる。これによって、穴を透過した受信信号と回折波とを区別することができる。すなわち、図５の例では、波高値５０２が閾値以上である受信信号は、被検体の欠損部分を透過してきた欠損信号であるといえるので、欠損位置判定部１０７は、ＩＤ「２」及びＩＤ「３」の受信部１０３が受信する受信信号が被検体を透過する位置に、欠損があると判定することができる。

以上に示した第１の実施形態の状態判定装置によれば、回折波の影響が少ない多重反射した受信信号を用いて被検体の状態を判定することにより、被検体の欠損の有無を判定し、さらに欠損の位置及び大きさを高精度に判定することができる。

（本実施形態の第１の変形例）
実施形態の状態判定装置では、多重反射した受信信号の波高値により欠損信号を判定するが、第１の変形例では、受信信号の波高値の包絡線の減衰率を計算することにより欠損信号を判定する点が異なる。穴を直接透過した受信信号は他の受信信号から回折波の影響を受けないため、短時間で減衰率が一定となるが、他の受信信号は、穴を透過した受信信号からの回折波の影響により、減衰率が一定となるまで時間がかかる。よって、この時間を測定することにより被検体の欠損部分を判定することができる。
実施形態の第１の変形例の状態判定装置について図６のブロック図を参照して説明する。
実施形態の第１の変形例の状態判定装置６００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、検出部１０６、減衰率計算部６０１、及び欠損位置判定部６０２を含む。なお、送信制御部１０１、送信部１０２、受信部１０３、増幅部１０４、Ａ／Ｄ変換部１０５、及び検出部１０６については、本実施形態に係る状態判定装置１００と同様の動作をおこなうため、ここでの説明は省略する。

減衰率計算部６０１は、検出部１０６から欠損候補信号を受け取り、欠損候補信号の波高値の包絡線の減衰率を計算し、この波高値の包絡線の減衰率が所定の減衰率に至るまでの減衰時間を、欠損候補信号ごとに測定する。
欠損位置判定部６０２は、減衰率計算部６０１から減衰時間を受け取り、減衰時間が閾値以内であるかどうかを判定する。減衰時間が閾値以内であれば欠損信号として判定し、欠損信号が被検体を透過した位置を欠損位置として判定する。

次に、第１の変形例の状態判定装置６００の動作について図７のフローチャートを参照して説明する。なお、ステップＳ３０１からステップＳ３０３まで、及びステップＳ３０６からステップＳ３０８までは、図３に示す本実施形態に係る状態判定装置１００と同様であるので、ここでの説明は省略する。
ステップＳ７０１では、減衰率計算部６０１が、欠損候補信号における波高値の包絡線の減衰率を計算し、所定の減衰率に至るまでの減衰時間を計測する。
ステップＳ７０２では、欠損位置判定部６０１が、減衰時間が閾値以内であるかどうかを判定する。減衰時間が閾値よりも長い場合、ステップＳ３０６へ進み、回折波と判定される。減衰時間が閾値以内である場合は、ステップＳ３０７へ進み、欠損信号として判定される。

以上に示した実施形態の第１の変形例の状態判定装置によれば、欠損候補信号における波高値の包絡線の減衰率に基づいて欠損信号を判定することにより、本実施形態と同様に、被検体の欠損の有無を判定し、さらに欠損の位置及び大きさを高精度に判定することができる。

（本実施形態の第２の変形例）
実施形態の第２の変形例の状態判定装置では、被検体の欠損部分を透過した受信信号の周波数特性と、被検体の欠損部分以外の位置を透過した受信信号の周波数特性とを比較することで、欠損信号を判定する点が異なる。

実施形態の第２の変形例の状態判定装置について、図８のブロック図を参照して説明する。
実施形態の第２の変形例の状態判定装置８００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、検出部１０６、周波数変換部８０１、及び欠損位置判定部８０２を含む。なお、送信制御部１０１、送信部１０２、受信部１０３、増幅部１０４、Ａ／Ｄ変換部１０５、及び検出部１０６については、本実施形態に係る状態判定装置１００と同様の動作をおこなうため、ここでの説明は省略する。

周波数変換部８０１は、検出部１０６から欠損候補信号を受け取り、欠損候補信号ごとに、周波数特性を算出する。周波数特性は例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）をおこなうことで算出すればよい。また、被検体１５０を透過させないときの超音波信号の周波数特性を基準周波数特性として算出しておく。
欠損位置判定部８０２は、周波数変換部８０１から周波数特性と基準周波数特性とを受け取り、周波数特性と基準周波数特性との差分が閾値以内であるかどうかを判定する。差分が閾値以内であれば欠損信号として判定し、欠損信号が被検体を透過した位置を欠損位置として判定する。なお、基準周波数特性は、予め欠損位置判定部８０２が有してもよい。

次に、実施形態の第２の変形例の状態判定装置８００の動作について図９のフローチャートを参照して説明する。なお、ステップＳ３０１からステップＳ３０３まで、及びステップＳ３０６からステップＳ３０８までは、図３に示す実施形態の状態判定装置１００と同様であるので、ここでの説明は省略する。
ステップＳ９０１では、周波数変換部８０１が、欠損候補信号をＦＦＴ処理し、周波数特性、及び基準周波数特性を算出する。
ステップＳ９０２では、欠損位置判定部８０２が、周波数特性と基準周波数特性との差分を算出する。
ステップＳ９０３では、欠損位置判定部８０２が、差分が閾値以内であるかどうかを判定する。差分が閾値よりも大きい場合、ステップＳ３０６へ進み、回折波と判定される。差分が閾値以内である場合は、被検体１５０を透過せずに直接受信された受信信号であると考えられるので、ステップＳ３０７へ進み、欠損候補信号が欠損信号として判定される。

以上に示した実施形態の第２の変形例の状態判定装置によれば、超音波信号の周波数特性に基づいて判定することにより、本実施形態と同様に、被検体の欠損の有無を判定し、さらに欠損の位置及び大きさ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。

１００，６００，８００・・・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・・・検出部、１０７，６０２，８０２・・・欠損位置判定部、１５０・・・被検体、２０１・・・受信部アレイ、４０１，４０２・・・信号、５０１，５０２・・・波高値、５０３・・・時間、６０１・・・減衰率計算部、８０１・・・周波数変換部、８０２・・・欠損位置判定部。

Claims (7)

1. 超音波を生成し超音波信号を送信する送信部と、
   被検体を透過した前記超音波信号を受信して第１受信信号をそれぞれ取得する１以上の受信部と、
   前記受信部ごとの前記第１受信信号の第１波高値を測定し、該第１波高値が第１閾値以上の第１受信信号があるかどうかを検出する検出部と、
   前記第１波高値が前記第１閾値以上の第１受信信号がある場合、該第１受信信号を、前記被検体の欠損部分を透過した可能性がある欠損候補信号として判定する判定部と、を具備し、
   前記検出部は、前記欠損候補信号がある場合、該欠損候補信号を受信した受信部において、該欠損候補信号を受信した時間から所定期間の１以上の整数倍だけ経過したときに受信した第２受信信号の第２波高値を測定し、該第２波高値が第２閾値以上の第２受信信号があるかどうかを検出し、
   前記判定部は、前記第２波高値が第２閾値以上の第２受信信号がある場合、該欠損候補信号を、前記被検体の欠損部分を透過した欠損信号として判定することを特徴とする状態判定装置。
2. 前記所定期間は、前記送信部と前記受信部との間の距離を前記超音波信号が往復する時間であることを特徴とする請求項１に記載の状態判定装置。
3. 前記判定部は、前記欠損信号が前記被検体を透過した位置に欠損があると判定することを特徴とする請求項１に記載の状態判定装置。
4. 前記送信部及び前記受信部は、該送信部と該受信部との間に前記被検体が挿入可能な間隔であって、かつ該受信部が、前記送信部によって反射された前記受信信号の反射波を受信可能な位置に対向して配置されることを特徴とする請求項１に記載の状態判定装置。
5. 超音波を生成して超音波信号を送信し、
   被検体を透過した前記超音波信号を１以上の受信部で受信して、第１受信信号をそれぞれ取得し、
   前記受信部ごとの前記第１受信信号の第１波高値を測定し、該第１波高値が第１閾値以上の第１受信信号があるかどうかを検出し、
   前記第１波高値が前記第１閾値以上の第１受信信号がある場合、該第１受信信号を、前記被検体の欠損部分を透過した可能性がある欠損候補信号として判定し、
   前記欠損候補信号がある場合、該欠損候補信号を受信した受信部において、該欠損候補信号を受信した時間から所定期間の１以上の整数倍だけ経過したときに受信した第２受信信号の第２波高値を測定し、該第２波高値が第２閾値以上の第２受信信号があるかどうかを検出し、
   前記第２波高値が第２閾値以上の第２受信信号がある場合、該欠損候補信号を、前記被検体の欠損部分を透過した欠損信号として判定することを具備することを特徴とする状態判定方法。
6. 前記所定期間は、前記送信部と前記受信部との間の距離を前記超音波信号が往復する時間であることを特徴とする請求項５に記載の状態判定方法。
7. 前記第２波高値が第２閾値以上の第２受信信号がある場合、該欠損候補信号を、前記被検体の欠損部分を透過した欠損信号として判定したのちに、前記欠損信号が前記被検体を透過した位置に欠損があると判定することを特徴とする請求項５に記載の状態判定方法。

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