(57)【要約】【課題】  簡単な構成で、材質の判別を高精度に行える材質検出装置を提供する。【解決手段】  送信器と受信器とを兼用する１つの超音波トランスデューサ１４と、矩形波信号を生成する矩形波発振器１１と、矩形波発振器の出力を超音波トランスデューサに供給して該超音波トランスデューサを駆動することにより送信信号である超音波を被検体１９に送信し、かつ送信信号の周波数−音圧特性及び超音波トランスデューサにより受信した受信信号の周波数−音圧特性との比較結果を求め、予め記憶されている材質に対応する超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を参照し、前記求めた前記送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に一致する、前記予め記憶されている超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に対応する材質を前記被検体の材質であると同定する分析部１０とを有する。【選択図】    図１
2005098744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサを用い、該超音波トランスデューサから出力される超音波を被検体に向けて送信し、かつ該被検体からの反射波を受信して、前記超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に基づいて被検体の材質を判定する材質検出方法であって、
周波数が広帯域にわたって高い音圧の音響信号を発生する単一の超音波トランスデューサで送信器と受信器とを兼用し、
送信信号である超音波を被検体に送信し、前記送信信号及び被検体からの反射波である受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を求め、予め記憶されている材質に対応する超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を参照し、前記求めた前記送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に一致する、予め記憶されている超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に対応する材質を前記被検体の材質であると同定することを特徴とする材質検出方法。
【請求項２】
前記超音波の送信信号は、基本波と奇数次の高調波を重ね合わせて生成される矩形波信号であることを特徴とする請求項１に記載の材質検出方法。
【請求項３】
前記送信信号の矩形波に対して予めＦＦＴ処理を行い、該ＦＦＴ処理により得られた送信信号の各周波数成分の振幅値を求め、かつ前記受信信号をＦＦＴ処理して得られた各周波数成分の振幅値を求めるとともに、前記送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理による各周波数成分の振幅値の比率を求め、
予め記憶されているＦＦＴ処理により得られた超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率と材質との関係を示すテーブルを参照し、
前記求めた送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理による各周波数成分の振幅値の比率に一致する、前記テーブルに記憶されているＦＦＴ処理により得られた超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率に対応する材質を前記被検体の材質であると同定することを特徴とする請求項２に記載の材質検出方法。
【請求項４】
超音波を被検体に向けて送信し、かつ該被検体からの反射波を受信して、前記超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に基づいて被検体の材質を判定する材質検出装置であって、
周波数が広帯域にわたって高い音圧の音響信号を発生することができ、送信器と受信器とを兼用する１つの超音波トランスデューサと、
矩形波信号を生成する矩形波発振器と、
前記矩形波発振器の出力を前記超音波トランスデューサに供給して該超音波トランスデューサを駆動することにより送信信号である超音波を被検体に送信し、かつ前記送信信号の周波数−音圧特性及び前記超音波トランスデューサにより受信した被検体からの反射波である受信信号の周波数−音圧特性との比較結果を求め、予め記憶されている材質に対応する超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を参照し、前記求めた前記送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に一致する、前記予め記憶されている超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に対応する材質を前記被検体の材質であると同定する分析手段と、
を有することを特徴とする材質検出装置。
【請求項５】
前記矩形波発振器から出力される矩形波信号は、超音波周波数帯の基本波と奇数次の高調波を重ね合わせて生成され、
送信時には前記超音波トランスデューサは、前記矩形波信号により駆動され、前記被検体に対して矩形波の超音波信号を送信することを特徴とする請求項４に記載の材質検出装置。
【請求項６】
前記分析手段は、
予め記憶されているＦＦＴ処理により得られた超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率と材質との関係を示すテーブルを記憶する記憶手段と、
前記送信信号の矩形波信号に対して予めＦＦＴ処理を行い、該ＦＦＴ処理により得られた送信信号の各周波数成分の振幅値を求める第１のデータ処理手段と、
前記受信信号に対してＦＦＴ処理を行い、該ＦＦＴ処理により得られた受信信号の各周波数成分の振幅値を求める第２のデータ処理手段と、
前記送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理による各周波数成分の振幅値の比率を求める演算手段と、
前記テーブルを参照し、前記求めた送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理による各周波数成分の振幅値の比率に一致する、前記テーブルに記憶されているＦＦＴ処理により得られた超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率に対応する材質を前記被検体の材質であると同定する判定手段と、
を有することを特徴とする請求項５に記載の材質検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は、広周波数帯域に渡って一定の高音圧を発生することができる超音波トランスデューサを用いた材質検出方法及び材質検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波トランスデューサは圧電セラミックを用いた共振型がほとんどである。
ここで、従来の超音波トランスデューサの構成を図１１に示す。従来の超音波トランスデューサは、振動素子として圧電セラミックを用いた共振型がほとんどである。図１１に示す超音波トランスデューサは、振動素子として圧電セラミックを用いて電気信号から超音波への変換と、超音波から電気信号への変換（超音波の送信と受信）の両方を行う。図１１（Ａ）に示すバイモルフ型の超音波トランスデューサは、２枚の圧電セラミック６１および６２と、コーン６３と、ケース６４と、リード６５および６６と、スクリーン６７とから構成されている。
【０００３】
圧電セラミック６１および６２は、互いに貼り合わされていて、その貼り合わせ面と反対側の面にそれぞれリード６５とリード６６が接続されている。
一方、図１１（Ｂ）に示すユニモルフ型の超音波トランスデューサは、１枚の圧電セラミック７１と、ケース７２と、リード７３および７４と、内部配線７５と、ガラス７６とから構成されている。圧電セラミック７１は、内部配線７５を介してリード７３が接続されるとともに、ケース７２に接地されている。
共振型の超音波トランスデューサは、圧電セラミックの共振現象を利用しているので、超音波の送信および受信の特性がその共振周波数周辺の比較的狭い周波数帯域で良好となる。
【０００４】
上記構成からなる共振型超音波トランスデューサを用いた材質検出装置、あるいは材質検出方法は幾つか提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
しかし、使用する超音波トランスデューサが共振型であるが故に僅かな反射信号の差しか得られない、それによって判別方法が複雑になる、鉄と布などは判別できるが紙質などの微妙な差が判別できない、などの問題があった。
また共振型であるが故に共振周波数を得るためのチューニングが必要である、といった欠点を有する。これに対し、後述する図３に示す静電方式の広帯域発振型超音波トランスデューサも知られている。
【特許文献１】特開平２００１−３３７５７５号公報
【特許文献２】特開平２００３−８４５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この広帯域発振型の超音波トランスデューサを用いることで微妙な紙質を判別できる材質検出装置について我々は、既に出願している。
しかしこの材質検出装置の構成では被検体に対して超音波を送信する送信器として機能する超音波トランスデューサと、被検体からの反射波を受信する受信器として機能する超音波トランスデューサの二つのトランスデューサが必要であり、また送信波と受信波の信号差、すなわち音圧減衰で材質を判定するため構成が複雑であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、材質の判別を高精度に行える材質検出方法及び材質検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、超音波トランスデューサを用い、該超音波トランスデューサから出力される超音波を被検体に向けて送信し、かつ該被検体からの反射波を受信して、前記超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に基づいて被検体の材質を判定する材質検出方法であって、  周波数が広帯域にわたって高い音圧の音響信号を発生する単一の超音波トランスデューサで送信器と受信器とを兼用し、送信信号である超音波を被検体に送信し、前記送信信号及び被検体からの反射波である受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を求め、予め記憶されている材質に対応する超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を参照し、前記求めた前記送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に一致する、予め記憶されている超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に対応する材質を前記被検体の材質であると同定することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の材質検出方法において、前記超音波の送信信号は、基本波と奇数次の高調波を重ね合わせて生成される矩形波信号であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の材質検出方法において、前記送信信号の矩形波に対して予めＦＦＴ処理を行い、該ＦＦＴ処理により得られた送信信号の各周波数成分の振幅値を求め、かつ前記受信信号をＦＦＴ処理して得られた各周波数成分の振幅値を求めるとともに、前記送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理による各周波数成分の振幅値の比率を求め、予め記憶されているＦＦＴ処理により得られた超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率と材質との関係を示すテーブルを参照し、前記求めた送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理による各周波数成分の振幅値の比率に一致する、前記テーブルに記憶されているＦＦＴ処理により得られた超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率に対応する材質を前記被検体の材質であると同定することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、超音波を被検体に向けて送信し、かつ該被検体からの反射波を受信して、前記超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に基づいて被検体の材質を判定する材質検出装置であって、周波数が広帯域にわたって高い音圧の音響信号を発生することができ、送信器と受信器とを兼用する１つの超音波トランスデューサと、矩形波信号を生成する矩形波発振器と、前記矩形波発振器の出力を前記超音波トランスデューサに供給して該超音波トランスデューサを駆動することにより送信信号である超音波を被検体に送信し、かつ前記送信信号の周波数−音圧特性及び前記超音波トランスデューサにより受信した被検体からの反射波である受信信号の周波数−音圧特性との比較結果を求め、予め記憶されている材質に対応する超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を参照し、前記求めた前記送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に一致する、前記予め記憶されている超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に対応する材質を前記被検体の材質であると同定する分析手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の材質検出装置において、前記矩形波発振器から出力される矩形波信号は、超音波周波数帯の基本波と奇数次の高調波を重ね合わせて生成され、送信時には前記超音波トランスデューサは、前記矩形波信号により駆動され、前記被検体に対して矩形波の超音波信号を送信することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の材質検出装置において、前記分析手段は、予め記憶されているＦＦＴ処理により得られた超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率と材質との関係を示すテーブルを記憶する記憶手段と、前記送信信号の矩形波信号に対して予めＦＦＴ処理を行い、該ＦＦＴ処理により得られた送信信号の各周波数成分の振幅値を求める第１のデータ処理手段と、前記受信信号に対してＦＦＴ処理を行い、該ＦＦＴ処理により得られた受信信号の各周波数成分の振幅値を求める第２のデータ処理手段と、前記送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理による各周波数成分の振幅値の比率を求める演算手段と、前記テーブルを参照し、前記求めた送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理による各周波数成分の振幅値の比率に一致する、前記テーブルに記憶されているＦＦＴ処理により得られた超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率に対応する材質を前記被検体の材質であると同定する判定手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、周波数が広帯域にわたって高い音圧の音響信号を発生する単一の超音波トランスデューサで送信器と受信器とを兼用し、送信信号である超音波を被検体に送信し、前記送信信号及び被検体からの反射波である受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を求め、予め記憶されている材質に対応する超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を参照し、前記求めた前記送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に一致する、予め記憶されている超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に対応する材質を前記被検体の材質であると同定するようにしたので、簡単な構成で、被検体の材質を高精度に自動的に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る材質検出装置の構成を図１に示す。本発明の実施形態に係る材質検出装置は、超音波トランスデューサを用い、該超音波トランスデューサから出力される超音波を被検体に向けて送信し、かつ該被検体からの反射波を受信して、前記超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に基づいて被検体の材質を判定する材質検出方法であって、  周波数が広帯域にわたって高い音圧の音響信号を発生する単一の超音波トランスデューサで送信器と受信器とを兼用し、送信信号である超音波を被検体に送信し、前記送信信号及び被検体からの反射波である受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を求め、予め記憶されている材質に対応する超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を参照し、前記求めた前記送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に一致する、予め記憶されている超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に対応する材質を前記被検体の材質であると同定する材質検出方法を実施するための装置である。
【００１５】
図１において、本実施形態に係る材質検出装置は、被検体の材質を同定する分析部１０と、超音波トランスデューサ１４を駆動する矩形波信号を生成する矩形波発振器１１と、ドライバ１２と、切替スイッチ１３と、超音波トランスデューサ１４と、増幅器１５と、波形整形回路１６と、表示部１７と、プリンタ１８とを有している。
【００１６】
矩形波発振器１１は、超音波周波数帯の基本波と奇数次の高調波を出力する複数の発振器と、これらの発振器出力を加算する手段とから構成され、超音波周波数帯の基本波と奇数次の高調波を重ね合わせることにより矩形波を生成する。
矩形波発振器１１の出力端はドライバ１２を介して切替スイッチ１３の接点ａに接続されており、切替スイッチ１３の接点ｂは増幅器１５の入力端に接続されている。
また、増幅器１５の出力は分析部１０に直接、または波形整形回路１６を介して分析部１０に入力されるようになっている。切替スイッチ１３の端子ｃは超音波トランスデューサ１４を介して接地されている。
【００１７】
切替スイッチ１３は分析部１０から出力される制御信号により、超音波トランスデューサ１４が被検体１９に超音波を発信する送信器として機能する送信モード（接点ａ側）、または被検体１９からの超音波の反射波を受信する受信器として機能する受信モード（接点ｂ側）に切り替えられるようになっている。分析部１０は本発明の分析手段２相当する。
次に、分析部１０の具体的構成を図２に示す。同図において、分析部１０は、タイミング制御部１００と、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理部１０１、１０２と、カウンタ１０３と、メモリ１０４と、演算部１０５と、判定部１０６と、テーブル記憶部１０７とを有している。
【００１８】
タイミング制御部１００は、切替スイッチ１３を切り替えるタイミング制御信号ＣＳを切替スイッチ１３及びカウンタ１０３に出力する機能を有している。このタイミング制御信号ＣＳは、出力タイミング（信号の周期）は図５に示すようであり、矩形波発振器１１から出力される矩形波信号を生成するための正弦波の基本波の周波数に基づいて設定される。図５においてハイレベルとなる期間（ａ＝１）は、送信状態となる期間を示し、ローレベルとなる期間（ｂ＝０）は、受信状態となる期間を示している。
カウンタ１０２は、超音波の送信時から反射波の受信時までの時間を計測する機能を有している。カウンタ１０２は、タイミング制御部１０７から出力される制御信号ＣＳの立ち上がり時点でリセットされ、計数動作を開始し、波形整形回路１６より入力される矩形信号（受信信号）の立ち上がり時点で計数動作を停止するように動作する。
【００１９】
ＦＦＴ処理部１０１は超音波トランスデューサ１４を駆動する矩形波発振器１１から出力される矩形波信号をＦＦＴ処理を行い、該ＦＦＴ処理により得られた送信信号の各周波数成分の振幅値を求める機能を有している。
また、ＦＦＴ処理部１０２は、超音波トランスデューサ１４が受信した受信信号に対してＦＦＴ処理を行い、該ＦＦＴ処理により得られた受信信号の各周波数成分の振幅値を求める機能を有している。ＦＦＴ処理部１０１は本発明の第１のデータ処理手段に、ＦＦＴ処理部１０２は本発明の第２のデータ処理手段に、それぞれ相当する。
【００２０】
演算部１０５は、ＦＦＴ処理部１０１、１０２により演算された送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理により得られた各周波数成分の振幅値の比率を算出する機能を有している。演算部１０５は、本発明の演算手段に相当する。
メモリ１０４には、ＦＦＴ処理部１０１、１０２の演算結果、すなわちＦＦＴ処理部１０１、１０２により演算された送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理により得られた各周波数成分の振幅値、及び演算部１０５の演算結果、すなわち演算部１０５により演算された送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理により得られた各周波数成分の振幅値の比率が格納される。
【００２１】
テーブル記憶部１０７には、ＦＦＴ処理により得られた超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率と材質との関係を示すテーブルが記憶されている。テーブル記憶部１０７は本発明の記憶手段に相当する。
判定部１０６は、テーブル記憶部１０７に記憶されているテーブルを参照し、演算部１０５の演算結果と一致する超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率に対応する材質を被検体１９の材質であると同定する機能を有している。判定部１０６は本発明の判定手段に相当する。
ＦＦＴ処理部１０１、１０２、メモリ１０４及び演算部１０５はバス１０８を介して相互に接続されている。
【００２２】
次に、超音波トランスデューサ１４の具体的構成を図３に示す。図３に示す静電型の超音波トランスデューサは、振動体として３〜１０μｍ程度の厚さのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）等の誘電体３１（絶縁体）を用いている。誘電体３１に対しては、アルミ等の金属箔として形成される上電極３２がその上面部に蒸着等の処理によって一体形成されるとともに、真鍮で形成された下電極３３が誘電体３１の下面部に接触するように設けられている。この下電極３３は、リード５２が接続されるとともに、ベークライト等からなるベース板３５に固定されている。
【００２３】
また、上電極３２は、リード５３が接続されており、このリード５３は直流バイアス電源５０に接続されている。この直流バイアス電源５０により上電極３２には５０〜１５０Ｖ程度の上電極吸着用の直流バイアス電圧が常時、印加され上電極３２が下電極３３側に吸着されるようになっている。５１は信号源であり、図１におけるドライバ１２の出力に相当する。
誘電体３１および上電極３２ならびにベース板３５は、メタルリング３６、３７、および３８、ならびにメッシュ３９とともに、ケース３０によってかしめられてる。
【００２４】
下電極３３の誘電体３１側の面には不均一な形状を有する数十〜数百μｍ程度の微小な溝が複数形成されている。この微小な溝は、下電極３３と誘電体３１との間の空隙となるので、上電極３２および下電極３３間の静電容量の分布が微小に変化する。このランダムな微小な溝は、下電極３３の表面を手作業でヤスリで荒らすことで形成されている。静電方式の超音波トランスデューサでは、このようにして空隙の大きさや深さの異なる無数のコンデンサを形成することによって、超音波トランスデューサの周波数特性が図４において曲線Ｑ１に示すように広帯域となっている。
【００２５】
上記構成の超音波トランスデューサ１４では、上電極３２に直流バイアス電圧が印加された状態で上電極３２と下電極３３との間に矩形波信号（ドライバ１２の出力：５０〜１５０Ｖp-p）が印加されるようになっている。因みに、図４に曲線Ｑ２で示すように共振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、中心周波数（圧電セラミックの共振周波数）が例えば、４０kHzであり、最大音圧となる中心周波数に対して±５kHzの周波数において最大音圧に対して−３０dＢである。これに対して、上記構成の広帯域発振型の超音波トランスデューサの周波数特性は、４０kHzから１００kHz付近まで平坦で、１００kHzで最大音圧に比して±６dＢ程度である。
【００２６】
上記構成からなる本実施形態に係る材質検査装置の動作について説明する。分析部１０におけるタイミング制御部１００より図５に示すタイミング制御信号ＣＳが切替スイッチ１３に出力されると、タイミング制御信号ＣＳの立ち上がり時点で切替スイッチ１３が接点ａ側に切り替えられ、送信モードとなる。この結果、矩形波発振器１１より出力された図６に示す矩形波信号がドライバ１２、切替スイッチ１３を介して超音波トランスデューサ１４に供給される。この時、同時にカウンタ１０３がタイミング制御信号ＣＳによりリセットされ、カウンタ１０３の計数を開始する。
超音波トランスデューサ１４では、上記矩形波信号により駆動され、超音波を被検体１９に送信する。
【００２７】
また、矩形波発振器１１より出力された矩形波信号は、ＦＦＴ処理部１０１によりＦＦＴ処理がなされる。その処理結果を図７に示す。ここで、矩形波信号の基本波（２０ｋHz）及び奇数次（例えば、３次、５次）の高調波（６０ｋHz、１００ｋHz等）の各周波数成分の振幅値がメモリ１０４に格納される。
次に、タイミング制御部１００により出力されるタイミング制御信号ＣＳにより切替スイッチ１３が接点ｂ側に切り替えられ、受信モードになると、被検体１９からの超音波の反射波が超音波トランスデューサ１４により受信され、その受信信号はスイッチ１３、増幅器１５を介して分析部１０におけるＦＦＴ処理部１０２に入力される。受信信号の波形を図８に示す。
【００２８】
この受信信号はＦＦＴ処理部１０２によりＦＦＴ処理が行われる。その処理結果を図９に示す。この受信信号をＦＦＴ処理することにより得られた矩形波信号の基本波（２０ｋHz）及び奇数次（例えば、３次、５次）の高調波（６０ｋHz、１００ｋHz等）の各周波数成分の振幅値は、送信信号と同様にメモリ１０４に格納される。
また、上記受信信号（図８）は、増幅器１５、波形整形回路１６を介して分析部１０におけるカウンタ１０３に入力され、受信信号の立ち上がりで、計数動作が停止される。これにより被検体１９に対して超音波を送信した時点から被検体１９からの反射波である受信信号の受信時点までの時間が計測される。この計測結果はメモリ１０３に格納される。
【００２９】
メモリ１０４よりＦＦＴ処理部１０１、１０２により演算された送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理により得られた各周波数成分の振幅値を読み出し、送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理により得られた各周波数成分の振幅値の比率、すなわち、被検体１９に対して送信した送信信号（送信した超音波に相当する。）と、受信信号（被検体１９からの反射波に相当する。）の各周波数成分の振幅値を比較してどの周波数成分がどの程度減衰したかを求める。そして、演算部１０５は、算出した送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理により得られた各周波数成分の振幅値の比率を判定部１０６に出力する。
【００３０】
判定部１０６は、テーブル記憶部１０７に記憶されているテーブルを参照し、演算部１０５の演算結果と一致する超音波の送信信号及び受信信号の各周波数成分の振幅値の比率に対応する材質を被検体１９の材質であると同定する。また、カウンタ１０３により計測された被検体１９に対して超音波を送信した時点から被検体１９からの反射波である受信信号の受信時点までの時間から、例えば、本実施形態に係る材質検出装置をプリンタの紙質の判定に使用する場合において、紙量を計測することができる。
判定部１０６により分析された被検体１９に対する分析結果、すなわち、算出した送信信号及び受信信号のＦＦＴ処理により得られた各周波数成分の振幅値の比率、同定した材質に関するデータが表示部１７に表示されるとともに、プリンタ１８によりプリントアウトできる状態となる。
【００３１】
図１０は、超音波トランスデューサ１４として広帯域発振型超音波トランスデューサを用いた場合の超音波トランスデューサからの発振信号（送信信号）と紙質の異なる紙を被検体１９としたときの受信信号の各周波数成分の振幅値（音圧）をプロットしたものである。
既述したように、受信信号をＦＦＴ処理により得られた周波数スペクトルと発振信号またはそれをＦＦＴ処理により得られた周波数スペクトルとを比較してどの周波数成分がどの程度減衰しているかを判断して紙の材質を判定する。
【００３２】
再生紙のような粗く柔らかい材質の紙は低周波数領域で紙にエネルギーが吸収されてしまい反射信号の低下が著しい。しかし超音波が高周波数になるにしたがってその傾向は減少していく。
光沢紙のような比較的表面が硬い紙では広い周波数にわたって高い反射音圧信号が観測できる。
【００３３】
また、片面使用紙を使用する場合、既に印刷されている面と裏の白紙面とを間違えてプリンタトレイなどにセットしてしまった場合などは、周波数スイープに加えてセンサでエリアスキャンを行えば、紙が間違ってセットされていることを使用者に知らせることが可能となる。
どの場合においても空中での減衰があるため、生の反射信号は発振信号より音圧は低い。しかし、プリンタに適用した場合など、紙と紙の材質を検出する超音波トランスデューサとが接近している場合には大きな問題にはならない。
【００３４】
本発明の実施形態に係る材質検出装置によれば、周波数が広帯域にわたって高い音圧の音響信号を発生する単一の超音波トランスデューサで送信器と受信器とを兼用し、送信信号である超音波を被検体に送信し、前記送信信号及び被検体からの反射波である受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を求め、予め記憶されている材質に対応する超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果を参照し、前記求めた前記送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に一致する、予め記憶されている超音波の送信信号及び受信信号の周波数−音圧特性の比較結果に対応する材質を前記被検体の材質であると同定するようにしたので、簡単な構成で、被検体の材質を高精度に自動的に検出することができる。
【００３５】
また、本実施形態に係る材質検出装置をプリンタに適用した場合には、用紙トレイの紙の材質を自動的に判別することができる。
超音波トランスデューサとして静電型の広帯域発振型超音波トランスデューサを用いることでプリンタなどの紙質を判別可能とし、紙質に合った印刷方法を選択あるいは自動選択することができる。
さらに、用紙トレイ内の紙がなくなる前に残量警告などを行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る材質検出装置は、衣類の布地の種類の判別、プロジェクタのスクリーン材質の検出に適用することができ、さらに、各種分析用センサとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の施形態に係る材質検出装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した本発明の施形態に係る材質検出装置における分析部の具体的構成を示すブロック図。
【図３】図１に示した本発明の施形態に係る材質検出装置における超音波トランスデューサの構成を示す図。
【図４】図３に示した超音波トランスデューサの周波数特性を従来の超音波トランスデューサの周波数特性と対比して示す図。
【図５】図１に示した本発明の施形態に係る材質検出装置における送信モードと受信モードとを切り替えるタイミング制御信号の波形図。
【図６】図１に示した本発明の施形態に係る材質検出装置における超音波トランスデューサを駆動する矩形波信号（送信信号）の波形図。
【図７】図６に示した送信信号をＦＦＴ処理した周波数スペクトルを示す図。
【図８】図１に示した本発明の施形態に係る材質検出装置における超音波トランスデューサによる受信信号の波形図。
【図９】図８に示した受信信号をＦＦＴ処理した周波数スペクトルを示す図。
【図１０】被検体が紙である場合の発振信号と被検体からの受信信号の周波数−音圧特性を示す図。
【図１１】共振型の超音波トランスデューサの構成例を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１０…分析部、１１…矩形波発振器、１２…ドライバ、１３…切替スイッチ、１４…超音波トランスデューサ、１５…増幅器、１６…波形整形回路、１７…表示部、１８…プリンタ、１９…被検体、１００…タイミング制御部、１０１、１０２…ＦＦＴ処理部、１０３…カウンタ、１０４…メモリ、１０５…演算部、１０６…判定部、１０７…テーブル記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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