JP7132959B2 - 異物検査用の空洞共振器、異物検査装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、異物検査用の空洞共振器、異物検査装置および方法に関し、特に、導体の検査対象物の表面に付着した異物を検出する技術に関する。

プラスチック等の絶縁体を薄膜状に加工したシートが広く用いられている。シートに金属等の異物が付着すると、シートを用いる製品の製造が困難となったり、そのような製品の性能が十分に発揮されなかったりすることがある。そこで、シートに付着した異物を検出する技術が従来から提案されている。例えば、特許文献１および２には、空洞共振器の対向する管壁にスリットを設け、シートをスリットを通して空洞共振器に貫通させながら、共振特性を観測する装置が記載されている。この装置では、共振特性の変化が観測されることで、シートに付着した異物が検出される。

特開２０１０－２７６４１６号公報 特開２０１３－７２７０２号公報

バッテリ等の電気機器には、薄膜状の導体が用いられることがある。このような薄膜導体に異物が付着すると、電気機器の性能が十分に発揮されないことがある。そこで、特許文献１および２に記載されているように、空洞共振器を用いて薄膜導体の表面に付着した異物を検出することも考えられる。しかし、これらの文献に記載されている技術によって、薄膜導体に付着した異物を検出することは困難である。薄膜導体をスリットを通して空洞共振器に貫通させると、空洞共振器の共振特性が著しく変化してしまい、異物による共振特性の変化を観測することが困難となってしまうためである。

本発明の目的は、導体の表面に付着した異物を空洞共振器を用いて検出することである。

本発明は、異物検査用の空洞共振器において、前記空洞共振器の内面の少なくとも一部を形成する空洞壁と、前記空洞壁における一部の領域を欠損させた欠損領域と、を有し、前記欠損領域は、導体の検査対象物によって覆われることを特徴とする。

望ましくは、導波管と、前記導波管の両端に設けられた端壁と、を有し、前記空洞壁は、前記導波管の管壁によって形成されている。

望ましくは、前記導波管は、矩形導波管であり、前記欠損領域は、縦方向に広がる管壁または横方向に広がる管壁のいずれかに形成されている。

本発明に係る異物検査装置は、前記空洞共振器と、前記空洞共振器に電磁波を励振する信号発生器と、前記空洞共振器から出力される信号を検出する信号検出器と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る異物検査装置は、前記空洞共振器と、前記空洞共振器から出力される信号を検出する信号検出器と、前記信号検出器による検出値に基づいて、前記検査対象物の表面に異物があるか否かを判定する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明は、空洞共振器を用いた異物検査方法において、前記空洞共振器は、前記空洞共振器の内面の少なくとも一部を形成する空洞壁と、前記空洞壁における一部の領域を欠損させた欠損領域と、を有し、検査対象物の導体面によって前記欠損領域を覆いながら前記検査対象物を搬送し、前記空洞共振器の共振特性の変化に基づいて、前記導体面に異物があるか否かを検査することを特徴とする。

本発明によれば、導体の表面に付着した異物を空洞共振器を用いて検出することができる。

異物検査用の空洞共振器を示す図である。 薄膜導体に付着した異物を検出するときの空洞共振器の状態を示す図である。 空洞共振器をｙ軸正方向側から見た図である。 異物検査装置を模式的に示す図である。 透過係数の周波数特性の解析結果を示す図である。 異物がある場合とない場合のそれぞれについて透過係数の値を示した表を示す図である。 透過係数の周波数特性の解析結果を示す図である。 異物検査装置を模式的に示す図である。

各図を参照して本発明の実施形態に係る異物検査用の空洞共振器、異物検査装置および異物検査方法について説明する。複数の図面に示されている同一の事項については同一の符号を付してその説明を簡略化する。また、以下の説明における上下左右の方向は、図面における上下左右の方向を示す。上下左右の方向を示すこれらの用語は、空洞共振器および異物検査装置の構造を説明するための便宜上のものであり、空洞共振器および異物検査装置を配置する際の姿勢を限定するものではない。

図１には、本発明の実施形態に係る異物検査用の空洞共振器１が示されている。この図では、手前側から奥側に空洞共振器１が伸びる方向がｚ軸正方向として定義されている。また、ｚ軸に垂直な平面における上方向がｘ軸正方向として定義され、ｚ軸に垂直な平面における右方向がｙ軸正方向として定義されている。

空洞共振器１は、矩形導波管１０と、矩形導波管１０の両端に設けられた端壁２０によって構成されている。矩形導波管１０は、対向する一対のＨ面管壁１８、Ｅ面管壁１６およびＥ面欠損付き管壁１２を備えている。Ｈ面管壁１８はｘｚ平面に沿って縦方向に広がり、Ｅ面管壁１６およびＥ面欠損付き管壁１２はｙｚ平面に沿って横方向に広がっている。Ｈ面管壁１８のｘ軸方向の幅は、Ｅ面管壁１６およびＥ面欠損付き管壁１２のｙ軸方向の幅よりも広い。Ｅ面欠損付き管壁１２は、図の奥側から手前に向かって順に配置された第１Ｅ面管壁１２１、欠損領域１２３および第２Ｅ面管壁１２２から構成されている。Ｅ面欠損付き管壁１２は、１枚の管壁において一部の領域が欠損領域１２３として欠損したものである。第１Ｅ面管壁１２１および第２Ｅ面管壁１２２は、それぞれ、Ｅ面管壁１６に対向している。

一方のＨ面管壁１８の下側の縁と、他方のＨ面管壁１８の下側の縁との間には、Ｅ面管壁１６が広がっている。また、一方のＨ面管壁の上側の縁と、他方のＨ面管壁１８の上側の縁との間の奥側には、第１Ｅ面管壁１２１が広がっており、一方のＨ面管壁１８の上側の縁と、他方のＨ面管壁１８の上側の縁との間の手前側には、第２Ｅ面管壁１２２が広がっている。このように矩形導波管１０は、上側の管壁に欠損領域１２３が設けられており、欠損領域１２３を通して上側から管内を見通せる形状を有している。

一対のＨ面管壁１８、第１Ｅ面管壁１２１およびＥ面管壁１６は、ｚ軸に垂直な平面内において矩形を描く。同様に、一対のＨ面管壁１８、第２Ｅ面管壁１２２およびＥ面管壁１６は、ｚ軸に垂直な平面内において矩形を描く。矩形導波管１０の両端は端壁２０で覆われており、矩形導波管１０およびその両端の端壁２０によって空洞共振器１が構成されている。

両側の端壁２０のそれぞれには結合孔２２が開けられている。結合孔２２の形状は、円形や楕円形、略楕円形等であってもよいし多角形であってもよい。端壁２０の外側には、伝送線路としての矩形導波管が取り付けられてもよい。また、同軸導波管変換器を介して伝送線路としての同軸ケーブルが接続されてもよい。結合孔２２は、伝送線路側の電磁波と空洞共振器１内の電磁波とを結合させる。一方側の結合孔２２から空洞共振器１内に電磁波が励振され、他方側の結合孔２２から電磁波が出力される。なお、結合孔は、矩形導波管１０の両端近傍におけるＨ面管壁１８に設けられてもよい。

矩形導波管１０を伝搬する電磁波のモードには、電磁界分布やｚ軸方向の波長が異なる複数種のモードがある。一般に、矩形導波管１０に対して定められた使用周波数帯域では、複数種のモードのうちの１つがｚ軸方向に波動として伝搬する伝搬モードとなり、他のモードはｚ軸方向に進むに従って減衰する遮断モードとなる。以下の説明では、矩形導波管１０を波動として伝搬する電磁波は基本モードの電磁波であるとする。矩形導波管１０の基本モードは、Ｅ面管壁１６に平行な電界成分と、Ｈ面管壁１８に平行な磁界成分を有する。

図２には、薄膜導体５０に付着した異物を検出するときの空洞共振器１の状態が示されている。薄膜導体５０はｙｚ平面に沿って広がっており、そのｚ軸方向の長さＷは、空洞共振器１における欠損領域１２３のｚ軸方向の長さＬと同一であるか若干短い。薄膜導体幅Ｗと欠損領域長Ｌとの相違は、異物の検出に影響を及ぼさない程度の相違であってよい。

薄膜導体５０は、空洞共振器１における欠損領域１２３を覆い、かつ、対向する一対のＨ面管壁１８の上側の縁に接触しないように、欠損領域１２３の上方をｙ軸の正方向に向かって搬送される。この搬送は、薄膜導体５０を搬送する機構によって行われてもよいし、ユーザの手によって行われてもよい。

搬送は、空洞共振器１の特性が測定されるごとにある距離だけ薄膜導体５０が移動するように行われてもよい。すなわち、空洞共振器１の特性を測定するときには薄膜導体５０を停止させ、測定後に薄膜導体５０を移動させて異物の検出範囲を変更した後、再び薄膜導体５０を停止させて空洞共振器１の特性を測定するという工程によって搬送が行われてもよい。また、搬送は、空洞共振器１の特性が測定されている間に薄膜導体５０が移動するように行われてもよい。

図３には、空洞共振器１をｙ軸正方向側から負方向側を見たときの図面が示されている。ただし、薄膜導体５０については断面が示されている。図３の左上には、破線の丸印Ａで囲まれた領域の拡大図が示され、右上には破線の丸印Ｂで囲まれた領域の拡大図が示されている。図３の左上に示されているように、薄膜導体５０は欠損領域１２３を覆っているものの、Ｈ面管壁１８の上側の縁には接触せず、薄膜導体５０とＨ面管壁１８との間には幅ｔの隙間がある。図３の右上には、薄膜導体５０の下面に付着した異物５２が示されている。薄膜導体５０に付着した異物５２は、空洞共振器１の共振特性に影響を及ぼす。なお、薄膜導体５０の表面の状態等によっては、薄膜導体５０をＨ面管壁１８の上側の縁に接触させ、薄膜導体５０を欠損領域１２３に当接させてもよい。

薄膜導体５０が、欠損領域１２３を覆うように搬送されている間、後述するように空洞共振器１の透過係数が測定される。透過係数に変化があったときに薄膜導体５０の表面に異物があったと判定される。

このように、本発明の実施形態に係る空洞共振器１は、矩形導波管１０と、矩形導波管１０の両端に設けられた端壁２０と、矩形導波管１０の管壁の一部を欠損させた欠損領域１２３とを有している。すなわち、矩形導波管１０の管壁が、空洞共振器１の内面の少なくとも一部を形成する空洞壁をなし、空洞壁としての管壁の一部を欠損させた欠損領域１２３が形成されている。上記では、空洞共振器１の内面が、矩形導波管１０の管壁および端壁２０によって形成された実施形態が示されているが、空洞共振器１の内面は、凹みを有する導体の部材と、その凹みの開口を覆う導体の空洞壁によって構成されてもよい。

図４には、異物検査装置１００が模式的に示されている。異物検査装置１００は、信号発生器６２、空洞共振器１、信号検出器６４および制御部６６を備えている。信号発生器６２、信号検出器６４および制御部６６は、ネットワークアナライザに含まれるものであってよい。制御部６６は、プログラムを実行するコンピュータによって構成されてもよい。この場合、制御部６６は、プログラムを実行することで信号発生器６２および信号検出器６４を制御する。

制御部６６は、所定の周波数の電磁波を信号発生器６２に出力させる。信号発生器６２は、伝送線路７０を介して空洞共振器１に電磁波を出力し、空洞共振器１内に電磁波を励振する。信号検出器６４は、空洞共振器１から出力された電磁波を伝送線路７２を介して検出する。信号検出器６４は、電磁波の検出値を制御部６６に出力する。制御部６６は、信号検出器６４が出力する検出値に基づいて透過係数を求める。透過係数は、信号発生器６２と信号検出器６４とを直結したときにおける検出値に対する、信号発生器６２と信号検出器６４との間に空洞共振器１を介在させたときにおける検出値の比率として定義される。

制御部６６は、所定の周波数における透過係数を時間経過と共に順次求める。透過係数が所定の基準範囲内の値であるときは、制御部６６は、薄膜導体５０に異物が付着していないとの判定をする。そして、基準範囲外の値となったときに、制御部６６は薄膜導体５０に異物が付着しているとの判定をする。基準範囲は、所定の上限値以上、所定の下限値以下の範囲として定義されてよい。

制御部６６は、複数の周波数のそれぞれについて透過係数を時間経過と共に順次求め、複数の周波数に対して求められた複数の透過係数が、それぞれの基準範囲内にあるときに薄膜導体５０に異物が付着していないと判定してもよい。そして、複数の周波数に対して求められた複数の透過係数のうちのいずれかが基準範囲外にあるときに、制御部６６は薄膜導体５０に異物が付着していると判定してもよい。

また、制御部６６は、透過係数が基準範囲内にあるか否かに基づいて、異物の有無を判定する代わりに、透過係数の時間変化率の絶対値が所定値を超えたか否かに基づいて異物の有無を判定してもよい。

図５には、透過係数Ｓ２１の周波数特性の解析結果が示されている。この解析結果は、欠損領域１２３を薄膜導体５０が覆って停止した状態について取得されたものである。横軸は周波数を示し、縦軸は透過係数Ｓ２１の対数値を示す。「Ｓ２１」の符号は、信号発生器６２側の伝送線路接続端をポート１とし、信号検出器６４側の伝送線路接続端をポート２としたときに、ポート１から入力されポート２から出力される電磁波の透過係数であることを示している。ここで、伝送線路接続端とは、伝送線路と空洞共振器１とが接続される箇所をいう。

解析では、Ｈ面管壁１８の内面の幅は２２．８ｍｍとされ、Ｅ面管壁１６の内面の幅は１０．１ｍｍとされた。一方の端壁２０から他方の端壁２０までの距離は１５４．４ｍｍとされた。薄膜導体５０の幅Ｗおよび欠損領域１２３の長さは１００ｍｍとされた。異物は、長さが１２．１ｍｍの５０μｍ角の導体とされた。結合孔２２の径は６ｍｍとされた。第１Ｅ面管壁１２１および第２Ｅ面管壁１２２の厚みは１ｍｍとされ、各Ｈ面管壁１８の上側の縁と薄膜導体５０との間の隙間は０．２ｍｍとされた。

特性８０は異物がないときの特性であり、特性８２は異物があるときの特性である。図５に示されているように、１１．６ＧＨｚ～１２．４ＧＨｚの周波数帯において、異物があるときとないときにおいて透過係数Ｓ２１の値に差異が認められる。

図６には、信号発生器６２が出力する電磁波の周波数が１１．７０２ＧＨｚ（第１周波数）のとき、１１．７９４ＧＨｚ（第２周波数）のとき、および１１．９８９ＧＨｚ（第３周波数）のときについて、異物がある場合とない場合のそれぞれについて、透過係数Ｓ２１の値を示した表が示されている。

制御部６６は、異物がない場合における透過係数Ｓ２１に対し、例えば、±３ｄＢの範囲を基準範囲として記憶してよい。すなわち、制御部６６は、第１周波数における透過係数Ｓ２１の基準範囲を、－４２．９８６４ｄＢ≦Ｓ２１≦－３６．９８６４ｄＢとして記憶してよい。また、制御部６６は、第２周波数における透過係数Ｓ２１の基準範囲を、－６２．２７５６ｄＢ≦Ｓ２１≦－５６．２７５６ｄＢとして記憶してよい。また、制御部６６は、第３周波数における透過係数Ｓ２１の基準範囲を、－３５．８９５７ｄＢ≦Ｓ２１≦－２９．８９５７ｄＢとして記憶してよい。

薄膜導体５０が、空洞共振器１の欠損領域１２３を覆うように搬送されている状態で、制御部６６は、第１周波数～第３周波数のそれぞれについて透過係数を時間経過と共に順次求める。制御部６６は、第１周波数～第３周波数のそれぞれについて求められた透過係数Ｓ２１が、第１周波数～第３周波数のそれぞれの基準範囲内にあるときに薄膜導体５０に異物が付着していないと判定する。そして、第１周波数～第３周波数のそれぞれについて求められた透過係数Ｓ２１のうちいずれかが、その基準範囲外にあるときに、制御部６６は薄膜導体５０に異物が付着していると判定する。

上記では、ｘｚ平面に沿って広がる幅が広い方のＨ面管壁、およびｙｚ平面に広がる幅が狭い方のＥ面管壁のうち、Ｅ面管壁に欠損領域１２３を設けた実施形態が示された。欠損領域は、幅が広い方のＨ面管壁に設けられてもよい。

図７には、Ｈ面管壁に欠損領域が設けられた空洞共振器についての透過係数Ｓ２１の周波数特性の解析結果が示されている。特性８４は異物がないときの特性であり、特性８６は異物があるときの特性である。図７に示されているように、１１．６ＧＨｚ～１２．２ＧＨｚの周波数帯において、異物がある場合とない場合において透過係数Ｓ２１の値に差異が認められる。

制御部６６は、１１．６ＧＨｚ～１２．２ＧＨｚの周波数範囲に含まれる複数の周波数について、透過係数の基準範囲を記憶してよい。各基準範囲は、図７に示されている特性８４および特性８６の差異に基づいて定められてよい。薄膜導体５０が、欠損領域を覆うように搬送されているときに、制御部６６は、複数の周波数のそれぞれについて透過係数を時間経過と共に順次求める。制御部６６は、複数の周波数に対して求められた複数の透過係数が、それぞれの基準範囲内にあるときに薄膜導体５０に異物が付着していないと判定してよい。そして、複数の周波数に対して求められた複数の透過係数のうちいずれかが基準範囲外にあるときに、制御部６６は薄膜導体５０に異物が付着していると判定してよい。

また、上記では、制御部６６が空洞共振器１の透過係数を求め、透過係数に基づいて異物の有無を判定する実施形態について説明した。制御部６６は、空洞共振器１の反射係数を求め、反射係数に基づいて異物の有無を判定してもよい。図８には、反射係数に基づいて異物の有無を判定する場合の異物検査装置１０２が模式的に示されている。

信号発生器６２と空洞共振器１との間には、方向性結合器６８が挿入されている。信号発生器６２、信号検出器６４、方向性結合器６８および制御部６６は、ネットワークアナライザに含まれるものであってよい。方向性結合器６８は、伝送線路７４を介して信号検出器６４に接続されている。空洞共振器１の出力側の伝送線路接続端には終端器９０が接続されている。終端器９０は、空洞共振器１から出力された電磁波を吸収する機能を有する。方向性結合器６８は、信号発生器６２から出力された電磁波を空洞共振器１に至る伝送線路７０に導く。また、空洞共振器１で反射した電磁波を、信号検出器６４に至る伝送線路７４に導く。

信号検出器６４は、反射電磁波の検出値を制御部６６に出力する。制御部６６は、信号検出器６４が出力する検出値に基づいて反射係数を求める。反射係数は、反射係数の大きさが１である反射器を、空洞共振器１の代わりに方向性結合器６８に接続したときの検出値を反射基準値とし、反射基準値に対する反射電磁波の検出値の比率として定義される。

制御部６６は、所定の周波数における反射係数を時間経過と共に順次求める。反射係数が所定の基準範囲内の値であるときは、制御部６６は、薄膜導体５０に異物が付着していないとの判定をする。そして、基準範囲外の値となったときに、制御部６６は薄膜導体５０に異物が付着しているとの判定をする。基準範囲は、所定の下限値以上、所定の上限値以下の範囲として定義されてよい。

制御部６６は、複数の周波数のそれぞれについて反射係数を時間経過と共に順次求め、複数の周波数に対して求められた複数の反射係数が、それぞれの基準範囲内にあるときに薄膜導体５０に異物が付着していないと判定してもよい。そして、複数の周波数に対して求められた複数の反射係数のうちいずれかが基準範囲外にあるときに、制御部６６は薄膜導体５０に異物が付着していると判定してもよい。

また、制御部６６は、反射係数が基準範囲内にあるか否かに基づいて、異物の有無を判定する代わりに、反射係数の時間変化率の絶対値が所定値を超えたか否かに基づいて異物の有無を判定してもよい。制御部６６は、反射係数の代わりに、定在波比（ＶＳＷＲ）等反射電磁波の大きさを表すその他の反射評価値を求め、反射評価値に基づいて異物の有無を判定してもよい。

上記では、空洞共振器１として、矩形導波管１０の両端に端壁２０が設けられたものが示された。空洞共振器は、円筒導波管等、その他の形状の導波管の両端に端壁が設けられたものであってもよい。この場合であっても、管壁の一部を欠損させた欠損領域が設けられ、欠損領域を覆いながら薄膜導体が搬送されているときにおける共振特性の変化に基づいて異物の有無が判定される。

空洞共振器では、検査対象となる導体平面を有し、その導体平面によって欠損領域を覆いながらｙ軸方向に搬送することができる物体であれば、異物の有無の判定が可能であり、検査対象物の形状に自由度がある。例えば、空洞共振器は、厚みのある板状の導体の表面に異物が付着しているか否かの判定に用いられてよい。

１ 空洞共振器、１０ 矩形導波管、１２ Ｅ面欠損付き管壁、１２１ 第１Ｅ面管壁、１２２ 第２Ｅ面管壁、１２３ 欠損領域、１６ Ｅ面管壁、１８ Ｈ面管壁、２０ 端壁、２２ 結合孔、５０ 薄膜導体、５２ 異物、６２ 信号発生器、６４ 信号検出器、６６ 制御部、６８ 方向性結合器、７０，７２，７４ 伝送線路、８０，８２，８４，８６ 透過係数の特性、１００，１０２ 異物検査装置。

Claims (6)

1. 異物検査用の空洞共振器において、
   前記空洞共振器の内面の少なくとも一部を形成する空洞壁と、
   前記空洞壁における一部の領域を欠損させた欠損領域と、を有し、
   前記欠損領域は、導体の検査対象物によって覆われることを特徴とする空洞共振器。
2. 請求項１に記載の空洞共振器において、
   導波管と、前記導波管の両端に設けられた端壁と、を有し、
   前記空洞壁は、前記導波管の管壁によって形成されていることを特徴とする空洞共振器。
3. 請求項２に記載の空洞共振器において、
   前記導波管は、矩形導波管であり、
   前記欠損領域は、縦方向に広がる管壁または横方向に広がる管壁のいずれかに形成されていることを特徴とする空洞共振器。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の空洞共振器と、
   前記空洞共振器に電磁波を励振する信号発生器と、
   前記空洞共振器から出力される信号を検出する信号検出器と、を備えることを特徴とする異物検査装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の空洞共振器と、
   前記空洞共振器から出力される信号を検出する信号検出器と、
   前記信号検出器による検出値に基づいて、前記検査対象物の表面に異物があるか否かを判定する制御部と、を備えることを特徴とする異物検査装置。
6. 空洞共振器を用いた異物検査方法において、
   前記空洞共振器は、
   前記空洞共振器の内面の少なくとも一部を形成する空洞壁と、
   前記空洞壁における一部の領域を欠損させた欠損領域と、を有し、
   検査対象物の導体面によって前記欠損領域を覆いながら前記検査対象物を搬送し、前記空洞共振器の共振特性の変化に基づいて、前記導体面に異物があるか否かを検査することを特徴とする異物検査方法。
   

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