(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向に搬送される紙幣、紙またはその類似物のような試験中の材料の厚さおよび坪量の双方またはいずれか一方を超音波を利用して力学的非接触式に測定する方法において、同じ放射特性を有する複数個の発信器が、搬送方向と垂直である試験中の材料の所定の領域の方向に超音波を同位相で放射することによって、音の強さレベルが高い集束音場を試験中の材料の所定領域に発生させ、試験中の材料から生ずる音の成分を使用される音の波長よりも短いか、またはそれに等しい距離だけ隔てた音場で検知するとともに、厚さおよび坪量の双方またはいずれか一方を測定するために検知された音の成分を評価することを特徴とする前記方法。
【請求項２】
試験中の材料を長手方向に移動させるとともに、所定領域は試験中の材料の幅全体に亘って延び、かつ線形の領域であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
試験中の材料を連続超音波にさらして、試験中の材料を伝播する音の成分を検知し、評価することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
試験中の材料を所定方向に搬送する装置と、発信器アレイと、少なくとも一個の受信器とを含み、該発信器アレイが音の強さレベルが高い集束音場を前記搬送方向と垂直である試験中の材料の所定領域へと放射する複数個の発信器を有しており、前記発信器の全ては集束音場にさらされた試験中の材料の前記領域から等距離だけ隔てて配置され、前記受信器は使用される音の波長よりも短いか、またはそれに等しい距離だけ試験中の材料から離して配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法を実施するための装置。
【請求項５】
発信器アレイの発信器は、少なくとも試験中の材料の幅に相当する長さを有する略半円筒形のアーチ状ピエゾポリマー薄膜であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
半円筒形のアーチ状ピエゾポリマー薄膜を、円筒外周の一部に相当する形状の担体上に一列に配列したことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
試験中の材料の幅全体に亘って延びる受信器アレイとして、前記材料の搬送方向と垂直に並置した複数個の受信器を有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項８】
受信器が音を送るための小型管状部材を有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
受信器が担体の片側に配置した略半円筒形のアーチ状ピエゾポリマー薄膜を有するとともに、該担体には音を送るための孔を設けたことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は所定の方向に搬送される紙幣、紙またはその類似物のような試験中の材料の厚さおよび坪量の双方またはいずれか一方を超音波を利用して力学的非接触式に測定する方法、およびこの方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の種類の方法は例えばＥＰ−Ｂ１  ０  １６７  ０１０号から公知である。音響発信器が試験中の可動材料へと超音波を放射することによって、試験中の材料から発する音の成分が受信器によって、反響または伝搬を計測する形式で検知される。検知された音の強さが、厚さおよび坪量の双方または一方の尺度として評価される。このような公知の方法には回折作用があるので、延長が一波長以上である試験中の材料の構造を識別することにしか利用し得ない。
【０００３】
更に従来の技術では、例えば識別または方向定め機能のためにピエゾポリマー薄膜を利用した超音波センサを使用している。その一例として、Ｗ．マントレー、Ｎ．クレーマー共著の論文（「技術計測」誌ｔｍ５６（１９８９年）、Ｒ．オルデンボルク・フェアラーク刊）、およびＷ．マントレー、バレンタイン・マゴリ共著の論文（「センサ９３、議事録第２巻」）を参照されたい。これらの文献は平面に配置された複数個の円筒形のアーチ状ピエゾポリマー薄膜の発信器を含む超音波変換器アレイについて記載している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は技術上の努力が少なくて済み、しかも計測面での空間的な分解能が高く、信号発生量に優れた、試験中の材料の厚さおよび坪量の双方またはいずれか一方を測定する方法と装置を提案することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、所定の方向に搬送される紙幣、紙またはその類似物のような試験中の材料の厚さおよび坪量の双方またはいずれか一方を超音波を利用して力学的非接触式に測定する方法において、同じ放射特性を有する複数個の発信器が、搬送方向と垂直である試験中の材料の所定の領域の方向に超音波を同位相で放射することによって、音の強さレベルが高い集束音場を試験中の材料の所定領域に発生させ、試験中の材料から生ずる音の成分を使用される音の波長よりも短いか、またはそれに等しい距離だけ隔てた音場で検知するとともに、厚さおよび坪量の双方またはいずれか一方を測定するために検知された音の成分を評価することを特徴とする。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、試験中の材料を長手方向に移動させるとともに、所定領域は試験中の材料の幅全体に亘って延び、かつ線形の領域であることを特徴とする。
【０００７】
第３の発明は、第１または第２の発明において、試験中の材料を連続超音波にさらして、試験中の材料を伝播する音の成分を検知し、評価することを特徴とする。
【０００８】
第４の発明は、試験中の材料を所定方向に搬送する装置と、発信器アレイと、少なくとも一個の受信器とを含み、該発信器アレイが音の強さレベルが高い集束音場を前記搬送方向と垂直である試験中の材料の所定領域へと放射する複数個の発信器を有しており、前記発信器の全ては集束音場にさらされた試験中の材料の前記領域から等距離だけ隔てて配置され、前記受信器は使用される音の波長よりも短いか、またはそれに等しい距離だけ試験中の材料から離して配置されることを特徴とする第１の方法に係る方法を実施するための装置である。
【０００９】
第５の発明は、第４の発明において、発信器アレイの発信器は、少なくとも試験中の材料の幅に相当する長さを有する略半円筒形のアーチ状ピエゾポリマー薄膜であることを特徴とする。
【００１０】
第６の発明は、第５の発明において、半円筒形のアーチ状ピエゾポリマー薄膜を、円筒外周の一部に相当する形状の担体上に一列に配列したことを特徴とする。
【００１１】
第７の発明は、第４の発明において、試験中の材料の幅全体に亘って延びる受信器アレイとして、前記材料の搬送方向と垂直に並置した複数個の受信器を有することを特徴とする。
【００１２】
第８の発明は、第７の発明において、受信器が音を送るための小型管状部材を有することを特徴とする。
【００１３】
第９の発明は、第８の発明において、受信器が担体の片側に配置した略半円筒形のアーチ状ピエゾポリマー薄膜を有するとともに、該担体には音を送るための孔を設けたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の基本的な構想は、試験中の材料を音の強さレベルが高い集束音場にさらし、試験中の材料から発する音の成分を密接した音場で、すなわち使用される音の波長よりも短いか、それに等しい距離を隔てた音場で直接検知し、厚さおよび坪量の双方またはいずれか一方を測定するために検知の結果を評価することにある。音場の集束は、複数個の発信器の全てが計測点から等距離を隔ててあるように、また、計測点で振幅が重なる同位相音波を発信素子が放射するように発信器を空間的に配置することによって達成される。それによって音波は計測点で集束する。
【００２１】
本発明によれば、発信素子の空間的な配置によって、僅かな技術的な努力で音の集束を達成できる。更に、音を集束することによって、背景のノイズが一定である場合、集束を行わない方法と比較して信号／ノイズ比が高まる。同時に、計測に関係がなく、制御されずに受信器へと透過される音の成分が縮減する。
【００２２】
密接した音場での計測は、連続音波で、また、伝搬する音波で行われることが好適である。すなわち、試験中の材料を伝搬する音響フランクションだけが検知され、評価の規準として採用される。連続音波を用いることにより、試験中の材料の移動方向に連続的に走査することができる。試験中の材料を幅全体に亘って集束した直線形の音波にさらすことによって、長手方向に移動する試験中の材料を材料の移動方向に直交する方向にも走査することが望ましく、このようにすれば、完全に走査することができる。それによって、例えば、紙幣に貼り付いた細片や、紙幣の欠損部分の確認、およびいわゆる二重送りまたは多重送りの検知が可能になり、これは貨幣分別機で紙幣を勘定する上で重要な機能である。
【００２３】
発信素子を円筒の一部に相当する形状の担体に配列し、略半円筒形のアーチ状ピエゾポリマー薄膜として形成することが好適である。空間的な分解能を高め、信号発生量を高めるため、音を感受する受信器表面の寸法は一波長分より小さくなければならない。試験中の材料から発する音の成分を捕獲し、音を送るための小型管状部材を有し、音を聴診器のようにマイクロフォンに伝搬する本発明の受信器によって、一方では試験中の材料相互間の、他方では受信器とそのマウントとの共振を避けることができる。
【００２４】
小型管状部材の外側を音吸収性の高い物質で覆い、内側の全部、または一部には適度の音吸収性を有する物質を詰めることができる。この物質によって管状部材内の共振を避けることができ、管状部材内のフォーム物質はマイクロフォンの汚れを防止することもできる。このように管状部材を利用することによって、音の感受面を含む受信器の側をほぼ完璧にフォーム物質でライニングすることができるようになる。管状部材の直径は受信器の感受面に適応させるようにする。管状部材と音響的に容易に連結できるピエゾポリマー薄膜を使用することが好適であり、その感受面の延長は一波長未満で実施することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は本発明の方法を実施するための装置の概略図を示している。試験中の材料１、例えば紙幣は搬送ローラの形式で示した搬送装置５によって発信器アレイ１０と受信器２０との間を搬送される。発信器アレイは、発信素子１１によって矢印２の方向に放射された超音波が同じ音の伝搬経路２上の計測点３に当たるように、計測点３から例えば約２０ｍｍである等距離だけ隔てて搬送装置５に対して配置された少なくとも２個の発信素子１１を含んでいる。計測点３では、発信器によって放射された音圧振幅が音の強さレベルが高い集束音場へと集束される。発信素子１１は全て同じ放射特性を有しており、同期的に動作するので、振幅が一定である音波の同位相の放射が保証される。
【００２７】
厚さおよび坪量の双方またはいずれか一方を測定するために、試験中の材料を伝搬する音の成分は、使用される音の波長よりも短いか、それに等しい距離４を隔てた受信器アレイによって検知され、評価装置（図示せず）によって評価される。空間的な分解能を高くし、優れた信号発生量を達成するため、音を感受する受信器表面の寸法は使用される波長よりも短くなければならない。一方では試験対象の相互間の、他方では受信器とそのマウントとの共振を避けるため、受信器は後述するように音吸収性のフォーム材料の中に埋設することができる。そのように発信器と受信器とを埋設することにより、本発明は原理的には例えば前述のＥＰ−Ｂ１  ０  １６７  ０１０号に記載されているような反響計測にも利用できる。
【００２８】
図２は図１に示した装置の発信器アレイの実施形態を示している。発信器アレイ２０は担体１２の凹面側に並置されたほぼ半円筒形のアーチ状ピエゾポリマー薄膜を含む複数個の発信素子を含んでいる。ピエゾポリマー薄膜の形状と材料特性は全て同じであるので、全ての発信素子に同じ放射特性が得られる。ピエゾポリマー薄膜を固定するために、担体１２にはピエゾポリマー薄膜を挟み込むような溝を設けてもよい。担体の形状は例えば円筒外周の一部に相当する形状である。ピエゾポリマー薄膜を担体１２の円筒外周に配置することにより、放射された超音波は薄膜の全長に亘って円筒軸の方向に集束され、その結果、音の強度レベルが高い線形の音場が形成される。発信器アレイの形状寸法、すなわち半円筒形のピエゾポリマー薄膜の長さは、例えば紙幣の最大幅に相当するような長さにすることができる。発信器アレイは例えば約１００ｋＨｚの周波数で動作することができる。発信素子をピエゾポリマー薄膜で構成する際の基本的な要件と法則は、上記の論文、Ｗ．マントレー、Ｎ．クレーマー共著の論文「ピエゾポリマーを利用した超音波センサ」（「技術計測」ｔｍ５６（１９８９年）、Ｒ．オルデンボルク・フェアラーク刊）、およびＷ．マントレー、バレンタイン・マゴリ共著の論文「空気中で使用する超音波変換器アレイ」（「センサ９３、議事録第２巻」）に記載されており、ここでは詳細には説明しない。
【００２９】
図３は図２に示した発信器アレイと共に使用することが好ましい一実施形態に係る超音波受信器の断面図を示している。受信器２０は例えばピエゾポリマー薄膜の形式の少なくとも一つのマイクロフォン２１を含んでおり、これは片側が平坦な円筒形担体２２の凸面側に配置されている。担体２２の平坦側には試験中の材料から発する音の成分の音を送るための孔２３を設けてある。約１００ｋＨｚで動作するマイクロフォンの寸法は薄膜の幅での円筒直径が３．５ｍｍである場合、例えば３．５ｍｍである。加えて、試験中の材料から来る音の成分を捕獲し、これを聴診器のようにしてマイクロフォンへと伝達するために小型管状部材をマイクロフォン２１上に直接取付けることができる。この管状部材の外側には例えば開孔ポリウレタン・フォームのような音吸収性フォーム材料２６を取付けることができ、それによって試験中の材料から直接来る音の成分だけが検知され、計測ミスの原因となり得る受信器または発信器から反響する音波は検知されない。更に、管状部材の内側の全部、または一部に適度の音吸収性を有する材料２５を詰めて、管状部材内での共振を避け、また、マイクロフォンの汚れを防止することができる。フォーム材料は共振が起こらない程度に音を吸収し、充分な信号が得られる程度に音を透過させる必要がある。管状部材の外径は約３ｍｍでよく、内径は２．５ｍｍ、長さは約３０ｍｍでよい。
【００３０】
図４は複数個の受信器２０を有する受信器アレイ３０を有する装置の概略図を示しており、このような構成は計測が例えば紙幣の幅全体に亘る複数の平行なトラックで行われる場合に特に有利である。発信器アレイ１０は試験中の材料を幅３の全体に亘って集束された線形の音場にさらす。そこで、長手方向に移動される試験中の材料は、例えは０．５から２ｍｍの距離を隔てて搬送方向に垂直に配置され、試験中の材料の幅全体に亘って延在する受信器アレイ３０によって伝搬測定されるように完璧に走査されることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、発信素子の空間的な配置によって、僅かな技術的な努力で音の集束を達成できる。更に、音を集束することによって、背景のノイズが一定である場合、集束を行わない方法と比較して信号／ノイズ比が高まる。同時に、計測に関係がなく、制御されずに受信器へと透過される音の成分が縮減する。
【００３２】
連続音波を用いることにより、試験中の材料の移動方向に連続的に走査することができる。試験中の材料を幅全体に亘って集束した直線形の音波にさらすことによって、長手方向に移動する試験中の材料を材料の移動方向に直交する方向にも走査することが望ましく、このようにすれば、完全に走査することができる。それによって、例えば、紙幣に貼り付いた細片や、紙幣の欠損部分の確認、およびいわゆる二重送りまたは多重送りの検知が可能になり、これは貨幣分別機で紙幣を勘定する上で重要な機能である。
【００３３】
発信器アレイが音の強さレベルが高い集束音場を搬送方向を垂直である試験中の材料の所定領域へと放射する複数個の発信器を有し、該発信器の全てが集束音場にさらされた試験中の材料の領域から等距離だけ隔てて配置されているため、同じ放射特性の発信器を同期的に動作させれば、振幅が一定である音波の同位相の放射が保証される。
【００３４】
半円筒形のアーチ状ピエゾポリマー薄膜を円筒外周の一部に相当する形状の担体上に一列に配列したため、放射された超音波は薄膜の全長に亘って円筒軸の方向に集束され、その結果、音の強度レベルが高い線形の音場を形成することができる。
【００３５】
試験中の材料の幅全体に亘って延びる受信器アレイとして、前記材料の搬送方向と垂直に並置した複数個の受信器を有するようにしたため、試験中の材料を幅方向にも走査することができる。
【００３６】
受信器が音を送るための小型管状部材を有するようにしたので、試験中の材料から来る音の成分を捕獲し、音を聴診器のように伝搬させることができ、一方では試験中の材料相互間の、他方では受信器とそのマウントとの共振を避けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る厚さおよび坪量の双方又はいずれか一方を測定する装置の概略図である。
【図２】発信器アレイの一実施形態を示す。
【図３】受信器の一実施形態である。
【図４】複数個の受信器を伴う受信器アレイを有する装置の概略図である。
【符号の説明】
１  試験中の材料
２  矢印
３  材料幅
４  距離
５  搬送装置
１０  発信器アレイ
１１  発信素子
１２  担体
２０  受信器
２１  マイクロフォン
２２  担体
２３  孔
２４  小型管状部材
２５  フォーム材料
２６  フォーム材料
３０  受信器アレイ
【図１】
0003816563.tif 000002
【図２】
0003816563.tif 000003
【図３】
0003816563.tif 000004
【図４】
0003816563.tif 000005