JP5069084B2 - 積層枚数計数方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層状に重ねられた物体の積層数を計数する計数方法に関し、特に、透過性のある電磁波を用い積層状に重ねられた物体の積層数を非接触で計測する計数方法に関する。

従来、積層状に重ねられた物体の積層枚数を、光学技術を用いて計数する技術が提案されている（特許文献１参照）。この技術では、積層状態にある物体（積層状物体）の上下面のうち少なくともどちらか一方に対して電磁波を入射し、積層状物体の界面での電磁波の反射で生成された電磁波を受信したり、電磁波が積層状物体に透過して生成された透過波を受信したりして、積層状物体の積層数を計数するものである。電磁波は積層状物体の厚さ程度の空間分解能（数ミリメートル〜数マイクロメートル）を有し、積層状物体の上面から下面まで容易に透過することのできるものである。

特許文献１に開示される積層状物体の計数技術では、電磁波パルスを積層状物体に放射し、その際生じる反射エコーパルスの数に基づいて積層状物体の積層枚数を計数したり、積層状物体に入射する電磁波の前記積層状物体を透過した透過波の位相変化量を検出し、それを基に前記積層状物体の積層数を計数したりするものである。

特開２００５−１５７６０１号公報

透過性のある電磁波を用い積層状に重ねられた物体の積層数を非接触で計測する際に、積層状の物体と空気とは通常屈折率が異なっていることから積層状物体の上面と下面の両側面で反射し多重反射が発生する。このため、積層状に重ねられた物体を透過した電磁波の強度は物体の積層数に一対一に対応したものとはならないことが判明した。背景技術で説明した技術ではシステムが複雑なものとなり、高価なシステムとなって産業分野での利用が困難であった。また、多重反射に関しても測定対象物が多数の枚数の場合、時間遅延を長く取る必要があり、数枚程度であれば多重解析も可能であろうが、数百枚程度の被対象物であると現実的には枚数を検査することはできなかった。
そこで本発明は、透過性のある電磁波を用い多重反射による影響に係らず積層状に重ねられた物体の積層数を非接触で計数する装置および計数方法を提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る発明は、薄板状物体を積層した積層状物体の該薄板状物体の積層枚数を計数する計数方法であって、前記積層状物体の積層方向の一側面に対して電磁波を入射する工程と、前記積層状物体の他の一側面から透過した電磁波を受信して電磁波透過強度を求める工程と、前記積層状物体の積層方向の少なくとも一側面にフィルタを密着して重畳する工程と、該フィルタを重畳した前記積層状物体の積層方向の一側面に対して電磁波を入射する工程と、該フィルタを重畳した前記積層状物体の他の一側面から透過した電磁波を受信して電磁波透過強度を求める工程と、フィルタを重畳させるときとさせないときの事前に求められた電磁波透過強度と積層状物体の積層枚数との関係を示す情報に基づき積層状物体の積層枚数を計数する工程を有することを特徴とする積層枚数計数方法である。
請求項２に係る発明は、前記積層状物体に入射される電磁波は、ミリ波〜テラヘルツ波（３０ＧＨｚ〜１００ＴＨｚ）の領域の成分を含む電磁波であることを特徴とする請求項１に記載の積層枚数計数方法である。

本発明は、積層状物体の積層枚数を事前に求めた電磁波の透過度曲線（事前に求められた電磁波透過強度と積層状物体の積層枚数との関係を示す情報）に基づき求めることが可能である。

また、本発明は、積層状の物体の上下面のうち少なくとも一方の面に位相をずらす手段であるフィルタを配置するということにより、透過性のある電磁波の透過強度に基づき積層状物体の積層枚数を正確に計数することが可能となった。

以下、本発明の実施形態について図面とともに説明する。
本発明は、光波と電波の中間領域にあるテラヘルツ波が、非金属や無極性物質を透過することによって計測不能になるほど多く吸収されないことを利用する。図１〜図３は本発明の測定原理を示す図である。
図１（ａ）に示されるように、テラヘルツ発信器から出射した電磁波は測定対象物を透過し、発信器と積層状の物体への電磁波の入射側と反対側に置かれた受信器で透過した電磁波の強度を測定する。図１（ｂ）に示されるように測定対象物の厚みが異なると吸収により透過する電磁波の強度も異なる。測定対象物として薄板状の物体を複数枚積層させた積層状物体を選択したとき、透過する電磁波強度も薄板状物体の積層枚数によって異なる。
そこで、本発明は、積層状物体を透過した電磁波の強度を測定することにより積層状の物体の積層枚数を計数する。

図２は、発信器側から出射した透過する電磁波が積層体を透過するときの伝播状況を模式的に示したものである。図２（ａ）は計数対象である薄板状のもの、例えば、コピー用紙、紙幣などを複数枚重ねて形成した積層状物体を透過する電磁波の伝播状況を示している。積層状物体の一方の面である入射側面ｐｉから入射した電磁波の入射波ｉ０は積層体を減衰しながら透過し、一部は積層体のもう一方の面である出射側面ｐｏから透過波ｔ０として出射する。また、一部はもう一方の面である出射側面ｐｏで反射し再度入射した面側の入射側面ｐｉに反射波ｒ０として伝播する。再度入射した面側に伝播した電磁波である反射波ｒ０は入射した面から発信器側に出射するものと、再度、反射しもう一方の面である出射側面ｐｏに再度伝播する。再度伝播した電磁波である反射波ｒ１はその一部が出射側面ｐｏから反射透過波ｔ１として出射する。受信器側の受信器で受信される透過電磁波の強度は、図２（ａ）で示されるように直接透過する成分（ｔ０）と積層状物体内部で反射し透過する成分（ｔ１）とが干渉した電磁波の強度である。

図２（ｂ）は所定のフィルタを積層状物体に密着して重ねたときの、積層状物体を透過する電磁波の伝播状況を示している。積層状物体の一方の面である入射側面ｐｉから入射した電磁波の入射波ｉ０は積層体を減衰しながら透過し、一部は積層体のもう一方の面から透過波ｔ０’として出射する。また、一部はもう一方の面である出射側面ｐｏで反射し再度入射した入射側面側ｐｉに反射波ｒ０’として伝播する。再度入射した面側に伝播した電磁波である反射波ｒ０’は入射した面から受信器側に出射するものと、再度、反射しもう一方の面である出射側面ｐｏに再度伝播する。再度伝播した電磁波である反射波ｒ１’はその一部がもう一方の面である出射側面ｐｏから反射透過波ｔ１’として出射する。受信器側の受信器で受信される透過電磁波の強度は、図２（ｂ）で示されるように直接透過する成分と積層状物体内部で反射し透過する成分との干渉した電磁波の強度である。所定のフィルタを密着して重ねたときを考慮する理由は後述（図３を用いて説明）する。
なお、図２（ａ）、（ｂ）とも反射透過波（ｔ１）は積層状物体内部で一回反射した成分以外に２回以上反射する成分も考えられるが、電磁波が積層状物体に吸収される割合が高いことから無視できる量である。

図３は、図２で説明した積層状物体を透過し干渉した電磁波の強度と積層状物体の積層枚数との関係を示している。透過度曲線ａは、積層状物体を電磁波が透過する透過強度と積層枚数との関係を示している。透過度曲線ａは、積層状物体の積層枚数と透過強度との関係が単純に減少する関数ではなく、減少と増加とを周期的に繰り返しながら全体的には減少する関数であることを示している。図２の電磁波の伝播モデルからみると、単調に減少する吸収曲線に周期的に増減する正弦波（余弦波）が重畳した関数とみなすことができる（積層状物体による電磁波の吸収による減少と、透過波と反射透過波との干渉）。

透過度曲線ａのグラフに示されるように、透過電磁波の強度と積層状物体の積層枚数との関係は一対一対応にならない箇所がある。図３に示される例では、透過度曲線ａで所定の透過度で積層枚数候補１〜積層枚数候補３の３つがあり、この透過強度のみからでは積層状物体の積層枚数を１つに特定することができない。このように、減少と増加とを周期的に繰り返し全体的に単純に減少する透過度曲線ａだけでは、所定枚数の積層状の物体を透過した電磁波の強度を測定しても物体の積層枚数を一義的に決定できない。

そこで、本発明は、所定のフィルタを介在させることにより介在させないときに比べて透過度曲線をシフトさせた透過度曲線ｂも用いることにより積層物体の積層枚数を特定する発明である。所定のフィルタは入射電磁波の少なくとも位相をずらす性質を有していればよい。透過度曲線ｂは所定のフィルタを介在させることにより得られる電磁波強度を示している。所定のフィルタは、フィルタなしの積層状物体に空気層が形成されないように所定のフィルタを密着して重ねることにより積層状物体と所定のフィルタの接する面で反射が発生しない材質のものを選択する。密着して重ねるには所定の押圧力を掛けて重ねるとよい。最適には積層状物体と同一の材質のものを所定の枚数積層したものを選択するとよい。そして、計数対象の積層状物体の積層枚数は、透過度曲線ａと透過度曲線ｂとから総合的に判断して求めることが可能である。図３に示した例では、フィルタありのときの透過度曲線ｂで所定の透過強度となる積層枚数候補４〜積層枚数候補６の３つがある。積層枚数候補１と積層枚数候補５とは積層枚数が一致することから、計数対象である積層状物体の積層枚数は積層枚数候補１（積層枚数候補５）と決定する。なお、積層枚数候補２と積層枚数候補３とは積層枚数が一致する候補はないので、積層状物体の枚数とは判断しない。

フィルタを重ねることにより求める透過度曲線は１つに限定することはなく、フィルタの厚さを変えることによりフィルタ無しのものも含めて３以上の透過度曲線を求めることにより、それらの透過度曲線を総合的に判断し、積層状物体の積層枚数を決定するようにしてもよい。
また、フィルタは、積層状物体の積層方向の面の少なくとも一面に重畳すればよく、積層状物体の積層方向の両方の面、透過する電磁波の入射面側、または、透過する電磁波の出射面側であってもよい。

図４は透過する電磁波の強度と積層状物体の積層枚数との関係を測定する測定装置の例である。このような測定装置を用いることにより、図３に示される積層枚数と電磁波強度との関係である透過度曲線ａ，ｂを得ることができる。前記測定装置は、出力信号の演算処理や受信部の移動を制御するための制御装置、電磁波を出射する発信器、電源、電磁波を略平行とするホーンアンテナ、ホーンアンテナで略平行にされた電磁波を更に平行とするための平凸レンズ、受信器を計測対象に対して離接させる駆動手段、フィルタを挿脱する挿脱手段、計測対象を透過した電磁波を受信する受信器、受信器で受信された電磁波の強度を測定する強度測定手段を備えている。

積層状物体を形成するそれぞれの積層物の間に空気層が介在すると、それぞれの積層物の表面で反射、屈折により透過する電磁波の状況が変化する。そのため空気層が介在しないように、積層物同士が密着して積層されるように所定の圧力で押圧して電磁波の透過強度を測定することが望ましい。また、透過性のある電磁波が積層状の物体を透過できるように、積層状物体の状況に応じて電磁波の強度や周波数領域を調整するとよい。計測対象物の積層枚数を計測するのに最適な電磁波を選定するために、計測対象物の電磁波の周波数帯域ごとの吸収度合いを測定し、最適な周波数を選択するようにする。

ここで、透過度強度の測定について付言する。図２について説明したように、積層状物体を透過した電磁波は透過波と反射透過波との干渉したものとなり、出射側面ｐｏからの距離にしたがって強度が周期的に変動する波となる。したがって、電磁波の透過度強度は、周期的に変動する波の空間的な少なくとも１周期分の平均値とする。この測定のため、図４で受信器を出射側面ｐｏに離接させて（換言すれば、受信器と積層状物体との距離を変化させて）各位置で透過強度を測定し、それらの平均を取るようにする。なお、透過強度の測定にあたっては、積層状物体の積層物体相互間に空気が介在しないように、積層状物体を適宜な押圧力で押圧して測定することが好ましい。

図５−１（ａ）は、積層状物体の積層数を計数する本発明の計数装置の一実施形態である。符号１は計数演算装置、符号２は電源、符号３は発信器、符号４ａ，４ｂはホーンアンテナ、符号５ａ，５ｂは平凸レンズ、符号６は積層状物体、符号７はフィルタ、符号８は受信器９を積層状物体に離接およびフィルタ７を積層状物体に重畳可能とする挿脱自在のフィルタ移動手段、符号９は受信器、符号１０は強度測定手段である。計数演算装置１の記憶手段にはテーブル化した図３で説明した透過度曲線の情報を事前に格納しておく。透過度曲線は図４で説明した測定装置を用いて事前に求めておくことが可能である。積層物体の積層枚数の計数には、電磁波として積層状物体の積層物体の典型的な厚さと同等の長さ（紙の場合では数ミリメートル〜数マイクロメートル）の波長を有するミリ波〜テラヘルツ波（３０ＧＨｚ〜１００ＴＨｚ）の領域の電磁波を用いるのが望ましい。そして、用いる電磁波の波長は対象物に適したものを適宜選択するとよい。

図５−１（ｂ）は、積層状物体に平行した電磁波を入射するために放物面鏡１１ａ、１１ｂを用いる実施形態を示している。図５−２（ｃ）のように積層状物体に対して電磁波を斜めに透過させることにより一枚当たりの電磁波の吸収量を増大させることで積層枚数の計数精度を向上させることも可能である。なお、当然のことながら、透過度曲線もそれにあわせて斜め入射させて事前にテーブル化しておくことが必要である。
図５−１（ａ），（ｂ）、図５−２（ｃ）において電磁波の透過強度を測定する際には、図４と同様に積層状物体を適宜な押圧力で押圧して実施することが望ましい。なお、透過度曲線の情報は計数演算装置１を用いて取得してもよい。

図６は本発明の積層状物体の積層数を計数するアルゴリズムを示すフローチャートである。ステップごとに説明すると、[Ｓ１]積層状物体に、透過する電磁波を照射し前記積層状物体に入射させる。[Ｓ２]積層状物体を透過した透過電磁波の強度を測定する。[Ｓ３]透過電磁波強度と積層状物体の積層枚数との関係テーブルから枚数候補を抽出する。[Ｓ４]ステップＳ４で摺出した枚数候補は１つであるか否かを判断する。ＹＥＳと判断されると、ステップＳ５に進み、ＮＯと判断されるとステップＳ６へ行く。[Ｓ５]ステップ４で枚数候補が１つ（ＹＥＳ）と判断されると、表示装置や印字装置などの出力装置にその枚数を出力し、終了する。[Ｓ６]ステップＳ４で枚数候補が１つではない（ＮＯ）と判断されると、所定のフィルタを透過する電磁波の入射側から積層状物体に密着して重ねる。[Ｓ７]所定のフィルタを重ねた積層状物体に、透過する電磁波を照射し所定のフィルタを重ねた積層状物体に入射させる。[Ｓ８]所定のフィルタを重ねた積層状物体を透過した透過電磁波の強度を測定する。[Ｓ９]透過電磁波強度と所定のフィルタを積層状物体に重ねたときの透過電磁波強度と積層状物体の積層枚数との関係テーブルから枚数候補を抽出する。[Ｓ１０]ステップＳ４で抽出した枚数候補とステップＳ９で抽出した枚数候補とに共通する枚数候補が１つあるか否かを判断する。ＹＥＳと判断されるとステップＳ１１へ進む。ＮＯと判断されるとステップＳ１２へ進む。[Ｓ１１]ステップ１０で共通する枚数候補が１つ（ＹＥＳ）と判断されると、表示装置や印字装置などの出力装置にその枚数を出力し、終了する。[Ｓ１２]表示装置や印字装置などの出力装置に「計数不能」を出力し、終了する。

以上が図６に示したフローチャートの説明であるが、他の態様としてステップＳ１２で「計数不能」を出力することに換えて、再度の枚数計数の計測を実施するために、ステップＳ１に戻るようにしてもよい。更に他の態様として積層状物体に他の所定のフィルタを重ねることにより、透過電磁波強度と他の所定のフィルタを重ねた積層状物体の積層枚数との関係テーブルを用いるステップを追加して判断するようにしてもよい。
なお、ステップＳ３、ステップＳ９で枚数候補を抽出できなかった場合も含めてステップＳ４、ステップＳ１０で判断してもよいし、枚数候補を抽出できない場合の判断ステップを更に追加してもよい。
また、ステップＳ４で枚数候補が１つの場合であっても確認のために所定のフィルタを積層するステップＳ６以降の処理を実行するようにしてもよい。

本発明の測定原理を示す図である。 発信器側から出射した透過する電磁波が積層体を透過するときの伝播状況を模式的に示したものである。 発信器側から出射した透過する電磁波が積層状物体を透過するときの伝播状況を模式的に示したものである。（ａ）は所定のフィルタを重ねない状態で測定する場合を示すもので、（ｂ）は所定のフィルタを重ねた状態で測定する場合を示すものである。 透過する電磁波の強度と積層状物体の積層枚数との関係を測定する測定装置の例である。 本発明の積層状物体の積層枚数を計数する計数方法を実施する計数装置の一実施形態である。 本発明の積層状物体の積層枚数を計数する計数方法において、電磁波を該積層状物体に対して斜めに入射させる実施形態を説明する図である。 本発明は積層状物体の積層枚数を計数するためのアルゴリズムを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 計数演算装置
２ 電源
３ 発信器
４ａ，４ｂ ホーンアンテナ
５ａ，５ｂ 平凸レンズ
６ 積層状物体
７ フィルタ
８ フィルタ移動手段
９ 受信器
１０ 強度測定手段
１１ａ，１１ｂ 放物面鏡

Claims (2)

1. 薄板状物体を積層した積層状物体の該薄板状物体の積層枚数を計数する計数方法であって、
   前記積層状物体の積層方向の一側面に対して電磁波を入射する工程と、
   前記積層状物体の他の一側面から透過した電磁波を受信して電磁波透過強度を求める工程と、
   前記積層状物体の積層方向の少なくとも一側面にフィルタを密着して重畳する工程と、
   該フィルタを重畳した前記積層状物体の積層方向の一側面に対して電磁波を入射する工程と、
   該フィルタを重畳した前記積層状物体の他の一側面から透過した電磁波を受信して電磁波透過強度を求める工程と、
   フィルタを重畳させるときとさせないときの事前に求められた電磁波透過強度と積層状物体の積層枚数との関係を示す情報に基づき積層状物体の積層枚数を計数する工程を有することを特徴とする積層枚数計数方法。
2. 前記積層状物体に入射される電磁波は、ミリ波〜テラヘルツ波（３０ＧＨｚ〜１００ＴＨｚ）の領域の成分を含む電磁波であることを特徴とする請求項１に記載の積層枚数計数方法。

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