(57)【要約】【課題】超音波の波長が温度によって変動しても、容易かつ高精度に厚みを測定することができるようにする。【解決手段】フィルム２に超音波５を透過させ、受信強度からフィルム２の厚みを測定する。送信側変換器３を駆動する送信回路８は、鋸歯状波発生回路１０が発生する鋸歯状波でＶＣＯ１１を制御し、（ｂ）に示すｆｌからｆｈまでの周波数範囲の超音波を連続的に発生させる。受信側変換器４の周波数特性が（ｂ）の点線に示すようにばらついていても、超音波５にはその特性に適合する成分が含まれるので、十分な受信出力を得ることができる。受信出力は、ＲＭＳ演算器１３で実効値を算出され、膜厚換算器１４で予めサンプルなどで得られている対応データに基づいて、膜厚に換算される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の間隔で対向配置される電気超音波変換器を使用して、対象物に対して超音波を送信し、透過した超音波の受信強度に基づいて対象物の厚みを測定する超音波厚み測定方法において、
対象物に照射する超音波に、測定する温度範囲での音速の変化に伴って波長が変化しても、波長に関する超音波の測定条件が同一となる周波数を含むように、予め設定される設定範囲にわたる周波数成分を含ませておき、
対象物を透過した超音波の受信強度を、該設定範囲にわたる周波数を対象として判定することを特徴とする超音波厚み測定方法。
【請求項２】
一定の間隔で対向して配置される電気超音波変換器間で、送信側の電気超音波変換器から対象物に超音波を送信し、対象物を透過した超音波を受信側の電気超音波変換器で受信し、受信強度に基づいて対象物の厚みを測定する超音波厚み測定装置において、
測定する温度範囲での音速の変化に伴って波長が変化しても、波長に関する超音波の測定条件が同一となる周波数を含むように、予め設定される設定範囲にわたる周波数で送信側の電気超音波変換器を駆動する送信回路と、
受信側の電気超音波変換器の電気的出力から、該設定範囲にわたる周波数範囲で受信強度を検出する受信回路とを含むことを特徴とする超音波厚み測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄いシート材などに対する超音波厚み測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、薄いシート材などの厚みは、機械的な方法や放射線の透過強度を測定するような方法で測定されている。機械的な方法では、シート材の両面を挟んで、その間隔をマイクロメータやダイヤルゲージで測定するので、シート材が連続的に生産されていたり、表面に流動状態の塗工被膜が存在するような場合には適用が困難である。Ｘ線やγ線のような放射線を使用する方法では、シート材を透過する際の吸収量が厚みに対応することを利用する。このような方法は、シート材を連続的に生産するような場合に特に適している。しかし、放射線は人体に危険性があり、発生装置なども大がかりなものとなってしまう。
【０００３】
薄板の厚み測定に超音波を使用することも、原理的には可能である（たとえば、非特許文献１参照）。この非特許文献には、式（２．１２０）として、板の固有音響抵抗が、周囲媒質のよりも十分大きく、かつ板が十分薄い場合、透過率をＴ、超音波の角周波数をω、単位面積当りの板の質量をＭ、周囲媒質の密度をρ１、周囲媒質の音速をｃ１とすると、次の（１）式の関係を有することが記載されている。
【０００４】
【数１】
2004156917.tif 000003
【０００５】
（１）式によって、薄板の透過率Ｔは、周波数（角周波数ω）一定であれば、板の質量により決まり、材質には依存しないことになる。連続的に生産されるシート材の厚さを測定する場合、予め機械的な方法などでサンプルの厚さを測定し、そのサンプルについて一定出力の超音波を透過させて受信強度を検出すれば、受信強度はシート材の透過率Ｔに対応して変化するので、受信強度と厚みとの対応関係を得ることができる。連続的に生産されるシート材の厚みは、この対応関係に基づいて、超音波を透過させる際の受信強度から測定することができるはずである。
【０００６】
【非特許文献１】
超音波便覧編集委員会編「超音波便覧」丸善株式会社、平成１１年８月３０日発行、ｐ．４６−４７
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
（１）式に基づくと、たとえば空気中にある合成樹脂フィルムなどのシート材の厚みは、一定周波数の超音波の透過率から測定することになる。超音波の周波数としては、たとえば４０ｋＨｚが、ＰＺＴなどの圧電材料を用いる電気超音波変換器などが多く市販されているので、選択しやすい。周囲媒質である空気は、次の表１に示すような温度特性を有している。
【０００８】
【表１】
2004156917.tif 000004
【０００９】
したがって、超音波の周波数がたとえば４０ｋＨｚで一定であっても、周囲温度が変化すれば、音速が変わり、波長も変わってしまう。そこで、その温度を測定し、測定した温度によって（１）式の音速ｃ１を補正すればよいはずである。さらに空気の密度ρ１についても温度で補正すれば、シート材の厚み測定が可能なはずである。
【００１０】
しかしながら、厚みを測定するときは、ＰＺＴなどによる電気超音波変換器を対向させて、その間にシート材を配置する。シート材と電気超音波変換器との間隔も波長に関連して受信強度に影響する。この間隔は、たとえば波長の定数倍というように、波長を基準として適切に設定する必要があるけれども、温度による波長の変化に応じて適切に変化させることは非常に困難である。電気超音波変換器間の間隔やシート材との距離を一定にしておくと、温度による波長の変化で、測定条件が適切な状態から外れてしまう。
【００１１】
したがって、シート材の厚みを実際に測定する環境では、超音波は４０ｋＨｚの周波数で一定でも、温度変化に伴う波長の変化で、受信強度は著しく低下してしまうおそれがある。また、送信を連続的に続けると、送信側の電気超音波変換器は、自己発熱し、この温度変化で共振周波数が変化して、自己発熱がなければ受信側と共振周波数が合っていても、共振周波数がずれてしまう。全体的に受信強度が低下してしまうと、シート材の厚みの差による受信強度の変化を検知することは困難となり、受信強度に基づいてシート材の厚みを測定することはできなくなってしまう。本件発明者は、このようなことが原因で、超音波を利用する薄板の厚み測定法があまり実用上、普及していないものと推定する。
【００１２】
本発明の目的は、超音波の波長が温度に伴って変動しても、容易かつ高精度に厚みを測定することができる超音波厚み測定方法および装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一定の間隔で対向配置される電気超音波変換器を使用して、対象物に対して超音波を送信し、透過した超音波の受信強度に基づいて対象物の厚みを測定する超音波厚み測定方法において、
対象物に照射する超音波に、測定する温度範囲での音速の変化に伴って波長が変化しても、波長に関する超音波の測定条件が同一となる周波数を含むように、予め設定される設定範囲にわたる周波数成分を含ませておき、
対象物を透過した超音波の受信強度を、該設定範囲にわたる周波数を対象として判定することを特徴とする超音波厚み測定方法である。
【００１４】
本発明に従えば、一定の間隔で対向配置される電気超音波変換器を使用して、対象物に対して超音波を送信し、透過した超音波の受信強度に基づいて対象物の厚みを測定するために、対象物に照射する超音波に、測定する温度範囲での音速の変化に伴って波長が変化しても、波長に関する超音波の測定条件が同一となる周波数を含むように、予め設定される設定範囲にわたる周波数成分を含ませておく。電気超音波変換器や対象物の位置に関する測定条件は、波長が基準となる。設定範囲にわたる周波数成分には、温度によって音速や電気超音波変換器の共振周波数が不明であったり変動しても、必ず波長に関する超音波の測定条件が同一となる周波数に該当する成分が存在するので、その周波数または近傍では十分な強度で超音波の送信と受信とを行うことができる。対象物を透過した超音波の受信強度を、該設定範囲にわたる周波数を対象として判定するので、十分な受信強度で受信して、受信強度の違いから厚みを測定することができる。正確な電気超音波変換器の共振周波数やその温度特性が不明でも、その変動範囲が判れば、その変動範囲と波長の変化とを見込んで設定範囲を設定し、容易かつ高精度に厚みを測定することができる。
【００１５】
さらに本発明は、一定の間隔で対向して配置される電気超音波変換器間で、送信側の電気超音波変換器から対象物に超音波を送信し、対象物を透過した超音波を受信側の電気超音波変換器で受信し、受信強度に基づいて対象物の厚みを測定する超音波厚み測定装置において、
測定する温度範囲での音速の変化に伴って波長が変化しても、波長に関する超音波の測定条件が同一となる周波数を含むように、予め設定される設定範囲にわたる周波数で送信側の電気超音波変換器を駆動する送信回路と、
受信側の電気超音波変換器の電気的出力から、該設定範囲にわたる周波数範囲で受信強度を検出する受信回路とを含むことを特徴とする超音波厚み測定装置である。
【００１６】
本発明に従えば、超音波厚み測定装置は、一定の間隔で対向して配置される電気超音波変換器間で、送信側の電気超音波変換器から対象物に超音波を送信し、対象物を透過した超音波を受信側の電気超音波変換器で受信し、受信強度に基づいて対象物の厚みを測定するために、送信回路と受信回路とを含む。送信回路は、測定する温度範囲での音速の変化に伴って波長が変化しても、波長に関する超音波の測定条件が同一となる周波数を含むように、予め設定される設定範囲にわたる周波数で送信側の電気超音波変換器を駆動するので、設定範囲にわたる周波数成分には、電気超音波変換器の共振周波数が不明であったり変動しても、必ず測定条件が波長を基準とすれば同一となる周波数やその近傍に該当する成分が存在し、その成分の周波数では十分な強度の超音波を送受信することができる。受信回路は、受信側の電気超音波変換器の電気的出力から、該設定範囲にわたる周波数範囲で受信強度を検出するので、十分な受信強度で受信して、受信強度の違いから厚みを測定することができる。送信側および受信側の電気超音波変換器について、正確な共振周波数やその温度特性が不明でも、その変動範囲が判れば、その変動範囲と波長の変化とを見込んで設定範囲を設定し、容易かつ高精度に厚みを測定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、（ａ）で、本発明の実施の一形態である超音波厚み測定装置１の概略的な電気的構成を示し、（ｂ）で、超音波の発生範囲を示す。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、超音波厚み測定装置１は、たとえば１００μｍ程度の厚みの合成樹脂フィルム２の厚みを、非破壊的かつ連続的に測定するために用いられる。超音波は、ＰＺＴなどの圧電素子による送信側変換器３から発生され、受信側変換器４で受信される。送信側変換器３と受信側変換器４とは、大気中で、フィルム２を挟んで対向している。フィルム２は、供給側６から受入側７へ、連続的に送られる。送信側変換器３から送信された超音波５は、まず空気を媒質として伝播し、フィルム２に到達する。超音波５の一部はフィルム２の表面で反射するけれども、残りはフィルム２中で減衰を受けながら透過する。透過率は、前述の（１）式のようにフィルム２の単位面積当りの質量によって決まる。フィルム２の厚みは変動しても、単位面積当りの質量は一定とみなすことができるので、他の条件を同一にしておけば、フィルム２の厚みに対応して超音波５の透過量が変化する。送信側変換器３および受信側変換器４には、送信回路８および受信回路９がそれぞれ設けられる。
【００１９】
送信回路８は、鋸歯状波発生回路１０およびＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１１を含む。鋸歯状波発生回路１０は、ＶＣＯ１１によって、図１（ｂ）のｆｌからｆｈまでの範囲の周波数を連続的に発生するような制御電圧を、鋸歯状に変化させて発生する。これによって、ＶＣＯ１１は、ｆｌからｆｈまで徐々に周波数を上昇させて、ｆｌまで急低下させる発振動作を、鋸歯状波の周期に合わせて繰返す。ＶＣＯ１１の出力は、送信側変換器３を振動させ、超音波５を発生させる。送信側変換器３は、電気的に強制されて振動するので、共振周波数と多少異なる周波数の超音波５でも発生させることができる。
【００２０】
送信回路８では、鋸歯状波発生回路１０とＶＣＯ１１とを組合わせて、連続的に周波数が変化する超音波を発生させているけれども、ＣＰＵなどのプログラム制御で、離散的に周波数が変化するように超音波５を発生させることもできる。また連続的に発生させる場合でも、鋸歯状波ではなく、他の波形、たとえば三角波などであってもよい。要するに、スペクトラムが広がった超音波５を発生させることができればよい。スペクトラムが広がった超音波５であれば、温度による波長の増減を周波数の上下で補って適切な測定条件となる周波数を含めることができるからである。ただし、あまり周波数範囲を広くすると、受信出力の平均値が小さくなってしまうので、測定する温度範囲での補償が可能であればよい。この温度範囲は、たとえば０〜５０℃である。
【００２１】
受信回路９は、増幅器１２、ＲＭＳ演算器１３、膜厚換算器１４およびメモリ１５を含む。増幅器１２は、受信側変換器４によって受信する超音波５に対応する受信出力を増幅する。ＲＭＳ演算器１３は、たとえ鋸歯状波発生回路１０が発生する鋸歯状波の周期で、増幅器１２からの出力に積分演算を施し、実効値（ｒｍｓ）を求める。膜厚換算器１４は、受信出力の実効値をメモリ１５に予め記憶しておいた換算データを参照して、フィルム２の膜厚に換算する。
【００２２】
図１（ｂ）は、送信側変換器３から発信される超音波５の発信強度を示す。ｆｌからｆｈまでの周波数にわたって、超音波５は発信される。ｆｌからｆｈの周波数の範囲は、温度による波長の変化に伴って点線で示すように受信側変換器４の受信感度が変動しても範囲外とはならないように設定する。受信側変換器４の総合的な周波数特性が（ｂ）の点線に示すようにばらついていても、超音波５にはその特性に適合する成分が含まれるので、十分な受信出力を得ることができる。受信側の総合的な周波数特性には、温度による音速の変化で波長が変化し、超音波５の波長を基準とする配置についての測定条件が変化することも含まれる。たとえば振幅のピークの位相でフィルム２に入射する周波数は、フィルム２と送信側変換器３との距離が一定である以上、温度によって波長が変化すれば対応して変化する。周波数も変化させることによって、同一の位相関係となる条件も含ませることができる。
【００２３】
図２は、図１の超音波厚み測定装置１を用いてフィルム２の厚みを測定する概略的な手順を示す。ステップｓ０から手順を開始し、ステップｓ１では、予めフィルム２のサンプルについて、超音波５を透過させての受信強度と、機械的測定などによって得られる厚みとを測定する。ステップｓ２では、サンプルについて得られる受信強度と厚みの測定値との対応関係を、換算データとしてメモリ１５に記憶する。
【００２４】
ステップｓ３から実施のフィルム２についての厚み測定を開始する。ステップｓ３では、送信回路８によって送信側変換器３を駆動し、超音波５を送信させる。超音波５は、ステップｓ４でフィルム２を透過し、ステップｓ５で受信側変換器４によって受信される。受信側変換器４が受信した超音波５に対応して、受信側変換器４は電気出力を導出する。この電気出力は、増幅器１２によって一定の利得で増幅され、ＲＭＳ演算器１３で、実効値に変換される。ＲＭＳ演算器１３で変換された実効値は、膜厚換算器１４で、メモリ１５に記憶されている換算データを参照しながら膜厚に換算される。ステップｓ３からステップｓ７までの動作は、ステップｓ８でフィルム２が終了していると判断されるまで、繰り返して行われる。ステップｓ８でフィルム終了と判断されると、ステップｓ９で測定の手順は終了する。
【００２５】
図３は、受信側変換器４での受信出力の周波数特性について、温度による変化の例を示す。公称４０ｋＨｚ用の市販のＰＺＴ素子で、実線で示す３０℃、点線で示す２５℃、破線で示す２０℃、および間隔の大きい破線で示す１５℃のデータから、温度による変化が大きいことが判る。
【００２６】
図４は、公称４０ｋＨｚの市販のＰＺＴ素子を、複数個、２０℃の同一条件で、周波数による受信出力のばらつきを測定した例を示す。個々のＰＺＴ素子自体に共振周波数のばらつきがあり、送信側変換器３と受信側変換器４とは、共振周波数が近いものを選別して組合わせなければならないことが判る。
【００２７】
市販の電気超音波変換器には、図３や図４に示すようなばらつきや温度特性があるので、図１（ｂ）に示すｆｌからｆｈの周波数範囲は、製品仕様や実測データの統計処理に基づいて、たとえば公称周波数の４０ｋＨｚを中心周波数ｆｃとし、その上下に余裕を持たせて範囲を設定する必要がある。
【００２８】
図５は、送信側変換器３と受信側変換器４とを、＃１、＃２および＃３で示す３組用いて、本実施形態によって、３０μｍ、６０μｍおよび１００μｍの３種の厚みのフィルム２について、透過する超音波５の受信出力を温度を変えて測定した例を示す。フィルム２の膜厚が小さくなると、受信出力の変動が大きくなるのは、表面にしわなどができやすくなり、その凹凸の影響であると考えられる。通常２５℃程度の環境で測定を行うことを想定すると、十分な安定性が得られていることが判る。
【００２９】
図６は、受信出力と厚みの逆数との関係を示す。実効値であるｒｍｓ値は、厚みの逆数とほぼ直線的な対応関係にあり、一度対応関係のデータをメモリ１５に記憶しておけば、容易に受信出力に基づいて厚みを求めることができる。なお、破線で示すピーク値の方が、受信出力の変化が大きい。ピーク値で検出すると、ノイズなどの影響を受けやすいけれども、図１（ｂ）のｆｌからｆｈまでの周波数領域を選択的に通過させるようなフィルタを用いれば、ノイズの影響を受けにくくして、検出の容易化を図ることができる。
【００３０】
以上の説明は、合成樹脂のフィルム２の膜厚を測定することについてであるけれども、同様にして、合成樹脂、金属、ガラスやセラミックなどの無機材などの薄板についても厚みを測定することができる。
【００３１】
さらに、そのような薄板やシート材の表面に、塗膜やメッキ膜などが形成される場合でも、膜形成以前に母材の厚さを測定し、さらにそのような膜のサンプルについての対応関係のデータを用意しておけば、同様に膜自体の厚さを母材の厚さと分離して測定することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、正確な電気超音波変換器の共振周波数やその温度特性が不明でも、その変動範囲が判れば、その変動と温度による波長の変動とを吸収しうる範囲以上の周波数成分を用いて、種々の対象の厚みを、容易かつ高精度に厚みを測定することができる。
【００３３】
さらに本発明によれば、送信側および受信側の電気超音波変換器について、正確な共振周波数やその温度特性が不明でも、その変動と温度による波長の変動とを吸収しうる範囲以上の周波数成分を用いて、容易かつ高精度に厚みを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である超音波厚み測定装置１の概略的な電気的構成を示すブロック図である。
【図２】図１の超音波厚み測定装置１を用いてフィルム２の厚みを測定する概略的な手順を示すフローチャートである。
【図３】電気超音波変換器の温度特性の例を示すグラフである。
【図４】電気音響変換器のばらつきの例を示すグラフである。
【図５】本実施形態で、厚みが判っているサンプルについて、受信出力と温度との関係を示すグラフである。
【図６】本実施形態で、受信出力と厚みの逆数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  超音波厚み測定装置
２  フィルム
３  送信側変換器
４  受信側変換器
５  超音波
８  送信回路
９  受信回路
１０  鋸歯状波発生回路
１１  ＶＣＯ
１３  ＲＭＳ演算器
１４  膜厚換算器
１５  メモリ
【図１】
2004156917.tif 000005
【図２】
2004156917.tif 000006
【図３】
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【図４】
2004156917.tif 000008
【図５】
2004156917.tif 000009
【図６】
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