(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波のパルス列を所定の間隔で断続的に送波する超音波送波器と、前記超音波送波器に対向して配置され、前記パルス列を受波し、受波したパルス列を電気信号に変換する超音波受波器と、を有し、
前記超音波送波器と前記超音波受波器との間において搬送されるウェブの端面位置を検出する超音波検出装置において、
前記電気信号を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力を平滑化するローパスフィルター回路と、
前記ローパスフィルター回路の出力を所定の第１の時点においてサンプリングする第１サンプルホールド回路と、
前記ローパスフィルター回路の出力を前記第１の時点よりも後の所定の第２の時点においてサンプリングする第２サンプルホールド回路と、
前記第１サンプルホールド回路の出力を前記第２の時点においてサンプリングする第３サンプルホールド回路と、
前記第２サンプルホールド回路の出力と前記第３サンプルホールド回路の出力とを減算する差動増幅回路と、を備え、
前記差動増幅回路の出力に基づいて前記ウェブの端面位置を検出する超音波検出装置。
【請求項２】
前記第１の時点及び前記第２の時点は、平滑化された前記電気信号が直線的に増加している区間内において選択されるものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波検出装置。
【請求項３】
超音波送波器と超音波受波器との間において搬送されるウェブによって遮断される前記超音波送波器からの超音波を前記超音波受波器により検出することにより、前記ウェブの端面の位置を検出するウェブ端面位置検出方法において、
前記超音波受波器が受波した超音波を電気信号に変換し、その電気信号を整流する第１の過程と、
整流された電気信号を平滑化する第２の過程と、
平滑化された電気信号を所定の第１の時点において第１サンプルホールド回路によりサンプリングする第３の過程と、
前記平滑化された電気信号を前記第１の時点よりも後の所定の第２の時点において第２サンプルホールド回路によりサンプリングする第４の過程と、
前記第１サンプルホールド回路の出力を前記第２の時点において第３サンプルホールド回路によりサンプリングする第５の過程と、
前記第２サンプルホールド回路の出力と前記第３サンプルホールド回路の出力とを減算する第６の過程と、を備え、
前記第６の過程で減算された出力に基づいて前記ウェブの端面の位置を検出するウェブ端面位置検出方法。
【請求項４】
前記第１の時点及び前記第２の時点は、前記平滑化された電気信号が直線的に増加している区間内において選択されるものであることを特徴とする請求項３に記載のウェブ端面位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波送波器と超音波受波器との間にウェブを搬送させ、超音波送波器から送波された超音波がウェブにより遮断されたことを超音波受波器が検出することにより、ウェブの端面位置を検出する超音波検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波送波器と超音波受波器とを用いてウェブの端面位置を検出する場合、超音波受波器が不要な反射波の影響を受けることを防止するために、一般的に、超音波送波器から超音波を断続的に送波し、送波を休止する期間を反射波が減衰する期間よりも長くなるように設定している。
【０００３】
例えば、特許第２８５６０６６号公報や特許第２９２４６４１号公報に記載されている超音波検出装置においては、超音波受波器から出力される信号のピーク値を検出し、このピーク値に基づいて、ウェブの端面位置を検出している。
【０００４】
また、特公平６−１０５１７２号公報に記載されている超音波検出装置においては、超音波送波器から送波され、迂回して超音波受波器に到達する反射信号による影響を除去するために、超音波受波器から出力される出力信号の最初の３つから５つまでの周期のみを検出期間に設定し、この検出期間内における出力信号のピーク値を求め、このピーク値に基づいて、ウェブの端面位置を検出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、超音波送波器においては、駆動パルス電圧印加後に駆動パルスを停止しても残響振動が残る。残響振動の少ない超音波送波器を使用した場合には、残響振動や不要な反射波による超音波受波器からの出力信号の振幅は直接波による振幅よりも小さい。このため、残響振動の少ない超音波送波器を使用した場合には、超音波受波器からの出力信号のピーク値に基づいて、ウェブの端面位置を検出することができる。
【０００６】
これに対して、残響振動の大きい超音波送波器を使用した場合には、超音波受波器からの出力信号の振幅は、超音波送波器に駆動パルス電圧を印加している間に送波した超音波を受波した場合よりも、駆動パルス電圧の印加を停止した後の残響振動による送波を受波した時の方が大きくなることがある。
【０００７】
この場合、残響振動により送波された音波は不安定であり、反射波の影響を受けやすいため、駆動パルスを印加している間に送波した音波のみをサンプリングすることが必要となる。
【０００８】
図４は、ある温度Ｔにおける超音波受波器の出力信号の伝搬時間と、温度Ｔよりも高い温度における超音波受波器の出力信号の伝搬時間と、温度Ｔよりも低い温度における超音波受波器の出力信号の伝搬時間との相互関係を示す信号波形図である。
【０００９】
図４に示すように、温度が高くなると、出力信号の伝搬時間は早くなり、温度が低くなると、出力信号の伝搬時間は遅くなる。すなわち、空気中の音波伝搬速度は温度によって変化する。
【００１０】
このため、前述の特公平６−１０５１７２号公報に記載されている音波検出装置のように、音波を送波してから一定期間経過後の領域内のピーク値を求める場合、温度が大きく変化すると、音波の伝搬時間が変化し、超音波受波器からの信号は限定された領域（ゲート信号が印加されている期間）に対して前後に移動してしまうため、本来検出すべき波形Ｖｔ０とは異なる波形Ｖｔ１またはＶｔ２をピーク値として検出してしまうこととなる。
【００１１】
この点、米国特許第５１２６９４６号は、サーミスタを使用し、温度に応じて、サンプリングする領域を変化させている。
【００１２】
しかしながら、この方法は、温度が徐々に変化する場合には応用することができるが、温度変化のある空気対流のように急速な温度変化が生じる場合や、温度分布が不均一な場合には、応用することができない。
【００１３】
本発明は、以上のような従来の音波検出装置における問題点に鑑みてなされたものであり、温度変化によって超音波送波器から超音波受波器までの音波の伝搬時間が変わった場合であっても、残響振動や反射波の影響を受けることなく、超音波の送受波を行い、ウェブの端面位置を正確に検出することができる超音波検出装置及びウェブ端面位置検出方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明は、超音波のパルス列を所定の間隔で断続的に送波する超音波送波器と、超音波送波器に対向して配置され、パルス列を受波し、受波したパルス列を電気信号に変換する超音波受波器と、を有し、超音波送波器と超音波受波器との間において搬送されるウェブの端面位置を検出する超音波検出装置において、電気信号を整流する整流回路と、整流回路の出力を平滑化するローパスフィルター回路と、ローパスフィルター回路の出力を所定の第１の時点においてサンプリングする第１サンプルホールド回路と、ローパスフィルター回路の出力を第１の時点よりも後の所定の第２の時点においてサンプリングする第２サンプルホールド回路と、第１サンプルホールド回路の出力を第２の時点においてサンプリングする第３サンプルホールド回路と、第２サンプルホールド回路の出力と第３サンプルホールド回路の出力とを減算する差動増幅回路と、を備え、差動増幅回路の出力に基づいてウェブの端面位置を検出する超音波検出装置を提供する。
【００１５】
本超音波検出装置においては、超音波受波器は超音波送波器からの超音波のパルス列を受波すると、受波した超音波を電気信号に変換し、さらに、整流回路はその電気信号を整流する。整流された電気信号はローパスフィルター回路により平滑化される。第１サンプルホールド回路はローパスフィルター回路の出力を第１の時点においてサンプリングし、第２サンプルホールド回路はローパスフィルター回路の出力を第１の時点よりも後の第２の時点においてサンプリングし、第３サンプルホールド回路は第１サンプルホールド回路の出力を第２の時点においてサンプリングする。差動増幅回路は第２サンプルホールド回路と第３サンプルホールド回路の両出力の減算値を計算する。
【００１６】
超音波受波器からの出力信号の振幅は、超音波送波器に印可した駆動パルスによって直接駆動された音波を受波している期間内においては、ほぼ比例的に増加する。この超音波受波器からの出力信号を整流し、さらに、ローパスフィルター回路で平滑化した信号は直線的に増加することを本発明者は実験的に見い出した。従って、この平滑化した信号を直線的に増加している範囲内において２点でサンプリングし、この２点間のレベル差を求めることにより、温度変化により超音波送波器から超音波受波器までの音波の到達時間が変化しても、残響振動や反射波の影響を受けることなく、ウェブの端面位置を正確に検出することが可能になる。
【００１７】
なお、サンプリングする２点は、予想される温度範囲内における温度変化により、音波が受波器に到達するまでの伝搬時間が変化したとしても、信号が直線的に増加している区間内、すなわち、駆動パルスにより直接駆動された音波を受波している区間内になるように予め設定しておく。
【００１８】
さらに、本発明は、超音波送波器と超音波受波器との間において搬送されるウェブによって遮断される超音波送波器からの超音波を超音波受波器により検出することにより、ウェブの端面の位置を検出するウェブ端面位置検出方法において、超音波受波器が受波した超音波を電気信号に変換し、その電気信号を整流する第１の過程と、整流された電気信号を平滑化する第２の過程と、平滑化された電気信号を所定の第１の時点において第１サンプルホールド回路によりサンプリングする第３の過程と、平滑化された電気信号を第１の時点よりも後の所定の第２の時点において第２サンプルホールド回路によりサンプリングする第４の過程と、第１サンプルホールド回路の出力を第２の時点において第３サンプルホールド回路によりサンプリングする第５の過程と、第２サンプルホールド回路の出力と第３サンプルホールド回路の出力とを減算する第６の過程と、を備え、第６の過程で減算された出力に基づいてウェブの端面の位置を検出するウェブ端面位置検出方法を提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１実施形態に係る超音波検出装置１０の構造を示すブロック図である。
【００２０】
本実施形態に係る超音波検出装置１０は、超音波送波器１２と、超音波受波器１４と、発振回路１６と、タイミング発生回路１８と、電力増幅回路２０と、前段増幅回路２２と、バンドパスフィルター回路２４と、整流回路２６と、ローパスフィルター回路２８と、第１サンプルホールド回路３０と、第２サンプルホールド回路３２と、第３サンプルホールド回路３４と、差動増幅回路３６と、を備えている。
【００２１】
タイミング発生回路１８は、断続的な音波のパルス列１８Ａが周期的に繰り返される信号Ｔ、サンプルタイミング信号Ｓ１及びサンプルタイミング信号Ｓ２を生成する。信号Ｔ、サンプルタイミング信号Ｓ１及びサンプルタイミング信号Ｓ２の信号波形を図２に示す。図２に示すように、信号Ｔにおけるパルス列１８Ａは送波持続時間Ｔ１を有しており、隣接するパルス列１８Ａ間の間隔は、超音波受波器１４からの出力信号が十分に減衰する期間になるように、タイミング発生回路１８により定められる。
【００２２】
タイミング発生回路１８は、発振回路１６から送信される基準信号に従って、信号Ｔ、サンプルタイミング信号Ｓ１及びＳ２を発振する。
【００２３】
タイミング発生回路１８が発振した信号Ｔは電力増幅回路２０に送られ、電力増幅回路２０により増幅された後、超音波送波器１２に送られる。超音波送波器１２は、電力増幅回路２０から送られてきた信号Ｔに従って、超音波のパルス列を生成し、生成した超音波のパルス列を超音波受波器１４に向けて送波する。
【００２４】
超音波受波器１４は超音波送波器１２に対向して配置されており、超音波送波器１２と超音波受波器１４との間にはウェブ４０が連続的に搬送されている。
【００２５】
超音波送波器１２から送波された超音波はウェブ４０により一部が遮断され、遮断されなかった超音波が超音波受波器１４に到達し、超音波受波器１４により電気信号に変換される。
【００２６】
超音波受波器１４により変換された電気信号は前段増幅回路２２により増幅された後、バンドパスフィルター回路２４によりフィルタリングされる。バンドパスフィルター回路２４からの出力信号は整流回路２６により整流され、ローパスフィルター回路２８に送られ、ローパスフィルター回路２８により平滑化される。
【００２７】
ローパスフィルター回路２８により平滑化された電気信号は第１サンプルホールド回路３０及び第２サンプルホールド回路３２に送られる。第１サンプルホールド回路３０の出力は第３サンプルホールド回路３４に送られる。
【００２８】
タイミング発生回路１８が生成したサンプルタイミング信号Ｓ１は第１サンプルホールド回路３０に送られ、第１サンプルホールド回路３０はサンプルタイミング信号Ｓ１を受信したときに、ローパスフィルター回路２８からの出力信号をサンプリングする。
【００２９】
同様に、タイミング発生回路１８が生成したサンプルタイミング信号Ｓ２は第２サンプルホールド回路３２及び第３サンプルホールド回路３４に送られる。第２サンプルホールド回路３２はサンプルタイミング信号Ｓ２を受信したときに、ローパスフィルター回路２８からの出力信号をサンプリングする。第３サンプルホールド回路３４はサンプルタイミング信号Ｓ２を受信したときに、第１サンプルホールド回路３０からの出力信号をサンプリングする。
【００３０】
第２サンプルホールド回路３２からの出力信号と第３サンプルホールド回路３４からの出力信号は差動増幅回路３６に送られ、差動増幅回路３６は双方の出力信号を減算し、その結果を示す出力信号３６Ａを発信する。
【００３１】
図２は、タイミング発生回路１８が超音波送波器１２に発信する駆動パルス列１８Ａを含む信号Ｔ、サンプルタイミング信号Ｓ１、サンプルタイミング信号Ｓ２、超音波受波器１４の出力信号１４Ａ、ローパスフィルター回路２８の出力信号２８Ａ、第１サンプルホールド回路３０の出力信号３０Ａ、第２サンプルホールド回路３２の出力信号３２Ａ、第３サンプルホールド回路３４の出力信号３４Ａ、差動増幅回路３６の出力信号３６Ａの信号波形を示す波形図である。
【００３２】
以下、図２を参照して、本実施形態に係る超音波検出器１０の動作を説明する。
【００３３】
図２に示すように、時刻Ｘ１において、Ｔ１時間の長さを有する駆動パルス列１８Ａが超音波送波器１２に印加されると、超音波送波器１２は超音波を超音波受波器１４に送波する。超音波受波器１４が超音波送波器１２からの超音波を受波した後、時刻Ｘ１から時間Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）経過した時点において、超音波受波器１４からの出力信号１４Ａの振幅は徐々に増加し始める。
【００３４】
超音波送波器１２に印加した駆動パルス列１８Ａによって直接駆動された超音波を受波した後においても、すなわち、超音波が超音波受波器１４に到達してから周期Ｔ１が経過した後においても、超音波受波器１４からの出力信号１４Ａの振幅は増加し続け、ピーク値に達した後、減衰を始める。
【００３５】
超音波受波器１４からの出力信号１４Ａの振幅が周期Ｔ１経過後においても増加を続けるのは、超音波送波器１２の残響振動や反射波によるものである。
【００３６】
周期Ｔ１の区間における超音波受波器１４からの出力信号１４Ａの振幅は安定している。すなわち、出力信号１４Ａを整流回路２６により整流し、さらに、ローパスフィルター回路２８で平滑化すると、ローパスフィルター回路２８からの出力信号２８Ａの波形に示されるように、周期Ｔ１の区間においては、出力信号１４Ａの振幅は直線的に増加する。これは、本発明者が実験により初めて見い出した事実である。
【００３７】
超音波送波器１２に駆動パルスを印加してから一定期間経過後、超音波受波器１４に超音波が到達してからＴ１の区間内において、タイミング発生回路１８からサンプルタイミング信号Ｓ１とサンプルタイミング信号Ｓ２とが発せられる。
【００３８】
なお、温度変化に伴って超音波の伝搬時間Ｔ２が変化したとしても、使用する温度範囲においては、Ｔ１の区間からサンプルタイミング信号Ｓ１及びＳ２が外れることがないように、サンプルタイミング信号Ｓ１及びＳ２の発生時点が予め設定される。
【００３９】
第１サンプルホールド回路３０は、タイミング発生回路１８からサンプルタイミング信号Ｓ１を受信した時点において、ローパスフィルター回路２８からの出力信号２８Ａをサンプリングする。
【００４０】
同様に、第２サンプルホールド回路３２は、タイミング発生回路１８からサンプルタイミング信号Ｓ２を受信した時点において、ローパスフィルター回路２８からの出力信号２８Ａをサンプリングする。
【００４１】
第３サンプルホールド回路３０は、タイミング発生回路１８からサンプルタイミング信号Ｓ２を受信した時点において、第１サンプルホールド回路３０からの出力信号３０Ａをサンプリングし、サンプルタイミング信号Ｓ１に従ってサンプリングした出力信号３０Ａとサンプルタイミング信号Ｓ２に従ってサンプリングした出力信号３２Ａのタイミングを一致させる。
【００４２】
第２サンプルホールド回路３２からの出力信号３２Ａと第３サンプルホールド回路３４からの出力信号３４Ａとは差動増幅回路３６に送られ、差動増幅回路３６において双方の出力信号３２Ａ及び３４Ａが減算される。これにより、サンプルタイミング信号Ｓ１及びＳ２の受信時点においてサンプリングしたローパスフィルター回路２８の出力信号２８Ａのレベル差が求められる。すなわち、ローパスフィルター回路２８が平滑化した信号の直線部分の傾きが求められる。
【００４３】
図３は、温度変化により超音波の伝搬時間が変化した場合におけるローパスフィルター回路２８の出力信号２８Ａの変化を示す波形図である。
【００４４】
図３に示すように、温度変化により超音波の伝搬時間が変化したため、ローパスフィルター回路２８の出力信号２８Ａの波形が実線で示す波形２８Ｂから破線で示す波形２８Ｃに変化した場合を想定する。
【００４５】
上述したように、本実施形態に係る超音波検出装置１０においては、サンプルタイミング信号Ｓ１とＳ２との間における出力信号２８Ａのレベル差が求められる。温度変化がなく超音波の伝搬時間も変化しない場合には、サンプルタイミング信号Ｓ１とＳ２との間における出力信号２８Ａのレベル差としてＶが求められる。仮に、温度変化により超音波の伝搬時間が変化したため、ローパスフィルター回路２８の出力信号２８Ａの波形が波形２８Ｃに変化した場合には、サンプルタイミング信号Ｓ１とＳ２との間における出力信号２８Ａのレベル差としてＶ’が求められる。
【００４６】
波形２８Ｂと波形２８Ｃとは相似であるため、双方の傾きは同一である。従って、波形２８Ｂ上において測定された出力信号２８Ａのレベル差Ｖと波形２８Ｃ上において測定された出力信号２８Ａのレベル差Ｖ’とは等しい（Ｖ＝Ｖ’）。
【００４７】
このため、本実施形態に係る超音波検出装置１０によれば、サンプルタイミング信号Ｓ１とＳ２との間における出力信号２８Ａのレベル差を求めるため、温度変化に伴って超音波の伝搬時間が変化したとしても、正確なレベル差Ｖを求めることができ、かつ、駆動パルス列１８Ａで直接駆動された超音波のレベルのみを検出することができる。
【００４８】
この結果、温度変化によって超音波送波器１２から超音波受波器１４までの音波の伝搬時間が変わった場合であっても、残響振動や反射波の影響を受けることなく、ウェブ４０の端面位置を正確に検出することが可能になる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る超音波検出装置またはウェブ端面検出方法によれば、超音波送波器から断続的に送波された超音波を受波した超音波受波器からの出力信号を整流し、かつ、平滑化し、駆動パルスにより直接駆動された超音波のみを所定の２点でサンプリングし、そのレベル差を求める。このため、温度変化に伴って超音波の伝搬時間が変化したとしても、駆動パルスで直接駆動された超音波のレベルのみを検出することができる。この結果、温度変化によって超音波送波器から超音波受波器までの音波の伝搬時間が変わった場合であっても、残響振動や反射波の影響を受けることなく、ウェブの端面位置を正確に検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波検出装置の構造を示すブロック図である。
【図２】図１に示した超音波検出装置を構成する各回路における信号の波形図である。
【図３】温度変化により超音波の伝搬時間が変化した場合におけるローパスフィルター回路の出力信号の変化を示す波形図である。
【図４】従来の超音波検出装置における温度変化と超音波の伝搬時間との関係を示す信号波形図である。
【符号の説明】
１０  本発明の一実施形態に係る超音波検出装置
１２  超音波送波器
１４  超音波受波器
１６  発振回路
１８  タイミング発生回路
２０  電力増幅回路
２２  前段増幅回路
２４  バンドパスフィルター回路
２６  整流回路
２８  ローパスフィルター回路
３０  第１サンプルホールド回路
３２  第２サンプルホールド回路
３４  第３サンプルホールド回路
３６  差動増幅回路
【図１】
0003640304.tif 000002
【図２】
0003640304.tif 000003
【図３】
0003640304.tif 000004
【図４】
0003640304.tif 000005