(57)【要約】【課題】            測定対象層の超音波エコーが前段の層による多重反射エコーに重なる場合においても、多層構造材料の２層目以後の厚みを容易に測定できる超音波厚み測定方法および超音波厚み測定システムを提供することを目的とする。【解決手段】        少なくとも２つ以上の異なる材料が複数積層された多層構造材料の各層の厚みを超音波エコー法で測定する超音波厚み測定方法であって、前記多層構造材料の温度を積極的に変化させ、前段の層の多重反射エコーに対する測定対象層のエコーの重なり方が、温度によって変化することを利用して、２層目以後の厚みを測定する超音波厚み測定方法である。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つ以上の異なる材料が複数積層された多層構造材料の各層の厚みを超音波エコー法で測定する超音波厚み測定方法であって、前記多層構造材料の温度を積極的に変化させ、前段の層の多重反射エコーに対する測定対象層のエコーの重なり方が、温度によって変化することを利用して、２層目以後の厚みを測定する超音波厚み測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波厚み測定方法であって、超音波減衰の温度特性が各層において異なることを利用して、送信波形からの減衰の結果のスペクトラムおよび反射位置をウエーブレット変換によって同時に検出して、各層の厚みを測定する超音波厚み測定方法。
【請求項３】
少なくとも２つ以上の異なる材料が複数積層された多層構造材料の各層の厚みを超音波エコー法で測定するための超音波厚み測定システムであって、前記多層材料の温度を変化させる手段を含み、請求項１に記載の方法を用いたことを特徴とする超音波厚み測定システム。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波厚み測定システムであって、ウエーブレット表示を行うことができる少なくとも１つの表示装置と、表示された波形から手動で波形を選択することができる少なくとも１つの入力装置を含むことを特徴とする超音波厚み測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波による厚み測定方法および超音波厚み測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波によって、材料の層の厚さを測定する方法は、従来から多種の方法が知られているが、特に多層構造材料の２層目以後の厚みを測定する方法においては、前段の層による超音波の多重反射の問題に遭遇する。多重反射の問題を解決する手段として、例えば特許文献１に示されるような技術がある。
【０００３】
特許文献１においては、コーティング層による多重反射に対して鋼管の超音波エコーとの重なりをさけるために、コーティング層の多重反射が十分に減衰した時間において、鋼管内の多重反射を検出する方法をとっている。
前段に超音波が減衰しやすい材料があって、測定対象層での超音波減衰が少なければ、特許文献１の方法は特に有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−６４９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば金属層の間に樹脂層があって、樹脂層の厚みを超音波で測定したい場合に、金属層による多重反射エコーが樹脂層のエコーに重なってしまうと、樹脂層による超音波エコーと金属層による多重反射エコーの分離は容易ではない。
図９は従来の超音波厚み測定の方法を示す図であって、多層構造材料１０に超音波厚み計１を適用して、厚み測定を行うための方法を示している。
【０００６】
超音波は音響インピーダンスの異なる材料間の界面で反射するから、図９に示したように、各層で多重反射を生じる。このとき各層iの音速をViとし、各層の厚みをLiとすれば、Li／Viが各層で等しくなるような場合には、１層目１０１の２回目の多重反射エコーは、２層目１０２の１回目のエコーと重なってしまうし、さらに１層目１０１の３回目の多重反射エコーは、2層目１０２の２回目の多重反射エコーと、３層目１０３の１回目のエコーと重なってしまう。全てのエコーのスペクトラムがほとんど同じような場合には、波形に畳みこまれた各層の情報を分離することは困難を伴う。
【０００７】
このような場合、２層目１０２のエコーが１層目１０１の多重反射と重なっているであろうという不確かな類推によって、１層目１０１の多重反射エコーによる時間を２層目１０２のエコーの時間と同じとして厚みが決められることになるが、実際に重なっているかどうかは、波形そのものからは分からないため、例えば厚みの異なるであろう周囲を測定してみて、超音波エコーの重なりをずらすような試行が必要になる。
しかしながら、測定できる範囲が狭かったり厚みが均一である場合には重なっている波形は分離されない。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、測定対象層の超音波エコーが前段の層による多重反射エコーに重なる場合においても、多層構造材料の２層目以後の厚みを容易に測定できる超音波厚み測定方法および超音波厚み測定システム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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本願第１の発明は、少なくとも２つ以上の異なる材料が複数積層された多層構造材料の各層の厚みを超音波エコー法で測定する超音波厚み測定方法であって、前記多層構造材料の温度を積極的に変化させ、前段の層の多重反射エコーに対する測定対象層のエコーの重なり方が、温度によって変化することを利用して、２層目以後の厚みを測定する超音波厚み測定方法である。
【００１０】
また、本願第２の発明は、請求項１に記載の超音波厚み測定方法であって、超音波減衰の温度特性が各層において異なることを利用して、送信波形からの減衰の結果のスペクトラムおよび反射位置をウエーブレット変換によって同時に検出して、各層の厚みを測定する超音波厚み測定方法である。
【００１１】
また、本願第３の発明は、少なくとも２つ以上の異なる材料が複数積層された多層構造材料の各層の厚みを超音波エコー法で測定するための超音波厚み測定システムであって、前記多層材料の温度を変化させる手段を含み、請求項１に記載の方法を用いたことを特徴とする超音波厚み測定システムである。
【００１２】
また、本願第４の発明は、請求項３に記載の超音波厚み測定システムであって、ウエーブレット表示を行うことができる少なくとも１つの表示装置と、表示された波形から手動で波形を選択することができる少なくとも１つの入力装置を含むことを特徴とする超音波厚み測定システムである。
【発明の効果】
【００１３】
本願第１の発明によれば、多重反射が各層で重なってしまい、次の層のエコーが不明確な場合においても、多層構造材料の温度を積極的に変化させることにより、各層の機械的特性を温度によって変化させ、各層での超音波の伝搬特性を変化させて、各温度での多層構造材料全体からの反射エコーを取得することにより、反射エコーの重なりを時間的に分離して、２層目以降の厚みを測定することができる。
【００１４】
例えば、１層目の厚みをL1、２層目の厚みをL２，１層目の超音波の音速をV1、２層目の超音波の音速をV2とし、１層目への最初の入射波形をｆ（ｔ）とすると１層目の1回目の反射はαｆ（ｔ−２・L1／V1）、２回目の反射はβｆ（ｔ−４・L1／V1）と表すことができ、一方、２層目からの１回目の反射はγｆ（ｔ−２・L1／V1−２・L2／V2）である。
【００１５】
１層目の１回目の反射は、時間的に他の反射と重なることはないため、１層目の厚みは、基準サンプル等によって音速を校正しておきさえすれば簡単に決めることができる。
１層目の２回目の反射と２層目の１回目の反射のみを考えて、これらの重ね合わせF（ｔ）を考えると、F（ｔ）＝βｆ（ｔ−４・L1／V1）＋γｆ（ｔ−２・L1／V1−２・L2／V2）であるが、このときもし仮にL2／V2＝L1／V1であるならば、F（ｔ）＝βｆ（ｔ−４・L1／V1）＋γｆ（ｔ−４・L1／V1）＝（β＋γ）・ｆ（ｔ−４・L1／V1）となって、F（ｔ）からL2の情報は得られないことになる。
【００１６】
そこで、本発明では、これまでは問題とされていた温度変化による厚み計測誤差を積極的に利用する。すなわち、多層構造材料の温度を変化させることによって、伝搬時間を厚みおよび音速の温度変化によって変化させる。例えば前述の例においては、L2／V2≠L1／V1とし、F（ｔ）における２つの波形の重なりをずらすことによって、L2の情報が得られるようになる。
【００１７】
さらに、本願第２の発明によれば、多重反射が各層で重なってしまい、次の層のエコーが不明確な場合においても、超音波減衰が各層において異なることを利用して、送信波形からの減衰の結果のスペクトラムおよび反射位置をウエーブレット変換によって同時に検出して、各層の厚みを測定することができる。すなわち、反射エコーの重なりを局所的な時間内で周波数的に分離して、各層で超音波が通過した結果であるスペクトラムの違いを検出して、各層の厚みを測定することができる。
【００１８】
また、本願第３の発明の超音波厚み測定システムによれば、本願第１の発明を実施するにあたり、別途温度制御装置を設けることなく、多重反射の問題を低減させて厚み計測を簡便に行うことが可能となる。
【００１９】
さらに、本願第４の発明によれば、本願第３の発明のウエーブレット変換を視認することができ、自動的なアルゴリズムでは検出困難な場合であっても、手動で波形を選択することにより、厚みを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態で室温での超音波波形を示した図である。
【図３】本発明の実施形態で温度を上げたときの超音波波形を示す図である。
【図４】図２の波形を処理した波形を示す図である。
【図５】図３の波形を処理した波形を示す図である。
【図６】図４と図５の波形を比較した図である。
【図７】図３の波形のウエーブレット表示である。
【図８】図５の波形のウエーブレット表示である。
【図９】従来の超音波厚み測定の方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は本発明の一実施形態を示す図であって、多層構造材料３０の厚み測定を行うにあたり、本願第２の発明である超音波厚み測定システム２０１を適用したものである。
多層構造材料３０の１層目３０１は金属材料、2層目３０２は樹脂材料、３層目３０３が金属材料であり、各層の厚みは異なるが、１層目３０１の表から裏までを超音波が通過する時間と、２層目３０２の表から裏までを超音波が通過する時間が計算上ほとんど同じであって、１層目３０１の多重反射に対して２層目３０２の反射エコーが重なる状態となっている。
【００２２】
超音波厚み測定システム２０１は、超音波送受信素子２０２を有し、支持体２０６に保持されている。超音波送受信素子２０２は、感度を高める目的から送信素子と受信素子を分けることもできるが、感度に問題がなければ送受信兼用の１つの素子とするのが簡単である。また、超音波送受信素子２０２は、温度による各層の伝搬速度の違いを明確に浮き出させる目的において、多層構造材料による超音波減衰が問題にならない程度に可能な限り高周波に帯域を有することが好ましく、さらには温度の違いによる各層の超音波減衰の違いを検出するために、広帯域であることが好ましい。
【００２３】
さらに、超音波厚み測定システム２０１は、温度制御素子２０３を有し、熱伝導素子２０４を介して多層構造材料１０１に熱を移送する手段を有する。また、これらの温度制御構造から、超音波送受信素子２０２に直接的に温度が伝達しないように、断熱材２０５を有する。温度制御構造をさらに有効に活用するために、温度計測手段を有することもできる。
【００２４】
さらに、超音波厚み測定システム２０１は、水等の超音波媒体を保持するための空間２０８を有し、超音波媒体を媒体供給経路２０７によって空間２０８に供給することができる。
【００２５】
図２は室温での超音波波形を示した図であって、図１において多層構造材料３０を室温に保持したままでの超音波厚み測定システム２０１からの出力波形である。ただし、１層目３０１の表面からの反射は波形から除いてあり、図２で時間的に一番最初の波形は１層目３０１の裏面からの反射波形である。第２の波形は、その強度のほとんどが１層目３０１の多重反射の２回目の波形であるが、２層目３０２の底面からの反射が重ね合わせられていると類推される。
【００２６】
図３は温度を上げたときの超音波波形を示す図である。図２と比較してみると、このままでは図２との相違が不明確であるため、最初の波形と第２の波形の時間差分シフトさせて、最初の波形の強度を第２の波形の強度に合わせこんだ上で差分をとる。その処理の各々の結果が図４および図５である。
【００２７】
図４は図２の波形を差分処理した波形を示す図であるが、１層目３０１の多重反射の２回目の波形と２層目３０２の波形の１回目の反射の位置がほぼ完全に同じ位置にあるって重ね合わせられている。しかしながら、第２の波形の位置に微弱な波形が観測されるのは、第１の波形と第２の波形が完全に相似形ではないことに由来するが、この結果だけでは、第２の波形に目的の２層目３０２からのエコーが重ね合わせられているかどうかは不明確である。
【００２８】
図５は図３の波形を処理した波形を示す図であるが、図４の場合同様に、図５の波形だけでは第２の波形に目的の２層目３０２からのエコーが重ね合わせられているかどうかは不明確である。
【００２９】
図６は、図４の波形と図５の波形を比較した図であって、図４の波形を実線で、図５の波形を点線で示した。温度の高い場合の波形である点線の波形は、１層目３０１の反射の時間がほとんどずれていないのに対し、２層目３０２の反射の時間が遅れている。
【００３０】
金属層と樹脂層の超音波伝搬時間の温度依存性に起因して、各層の伝搬時間が温度の変化によって違いが生じることから、図６の比較によって樹脂層による反射のエコーであることが確認され、この時間をもとに厚みを計算することができる。
【００３１】
温度による厚み測定の誤差が問題になるような場合はほとんどないであろうが、問題になるような場合においても、厚みの分かっている基準サンプルを準備し、同じプロセスで測定することによって、この誤差を低減することも可能である。
【００３２】
図７は図３の波形のウエーブレット表示であって、縦軸は周波数パラメータで、横軸は時間パラメータである。わかりやすくするため、元の波形は符号を反転させた。図７に各多重反射波形のウエーブレットの強度のピークの位置を十字で示した。ピークの位置はどの波形においてもほとんど同じ周波数位置を示している。このことから、１層目３０１の超音波減衰は、ほとんどないことが分かる。
【００３３】
一方、図８は図５の波形のウエーブレット表示であって、縦軸は周波数パラメータで、横軸は時間パラメータである。同様に元の波形は符号を反転させているが、さらにわかりやすくするため時間軸途中からウエーブレット強度のスケールを変更してある。図８にもウエーブレットの強度のピークの位置を十字で示したが、2層目３０２からのエコー波形として処理された２つめの波形の周波数が１層目３０１のエコー波形の周波数に比較して、低周波数側にシフトしていることが分かる。
【００３４】
このように、樹脂層での超音波減衰が金属層での超音波減衰に比較して大きいことを利用すれば、波形の重なりを周波数的にも分離することが可能であり、したがって、ウエーブレット変換の最大の利点である時間情報を残したまま周波数解析を行える原理を利用すれば、同時に各層の厚みに対応する時間情報を取得できて、各層の厚みを計算することが可能となる。
【００３５】
本願第４の発明においては、前記ウエーブレット変換を表示するための表示装置を少なくとも１つ有している。表示装置上で、周波数の減衰が視認できるため、自動で測定するためのアルゴリズムに例外があるような場合でも、手動で波形選択を行う入力装置によって、選択した波形の時間的位置から、厚みを計算することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明における超音波厚み測定方法および超音波厚み測定システムでは、多層構造材料の各層の膜厚を測定する用途に利用でき、特に多層構造材料の構成層間において機械的特性の温度変化率が顕著である場合に好適である。
【符号の説明】
【００３７】
１  従来の超音波厚み計
１０、３０  多層構造材料
１０１、３０１  多層構造材料の１層目
１０２、３０２  多層構造材料の２層目
１０３、３０３  多層構造材料の３層目
２０１  超音波厚み測定システム
２０２  超音波送受信素子
２０３  温度制御素子
２０４  熱伝導素子
２０５  断熱材
２０６  支持体
２０７  媒体供給経路
２０８  空間
【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９】
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【図７】
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【図８】
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