JP2001194137A - 材料厚さの非接触測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物の温度が変化するような環境下で
も、非接触で材料の厚さを高精度で測定する。 【解決手段】 材料表面の異なる位置Ｐ_L、Ｐ_Sにレーザ
を照射して、縦波と横波超音波を発生させ、両者の伝搬
時間ｔ_L、ｔ_Sを光学干渉計２４で検出し、更に材料温度
を加味した音速を求めることにより、温度変動による誤
差の生じない材料厚みｄを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料厚さの非接触
測定方法及び装置に係り、特に、圧延ラインで高速移動
中の鋼板の板厚を非接触で測定する際に用いるのに好適
な、温度変動による誤差を生じることがない、材料厚さ
の非接触測定方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属板等の厚さ測定方法として、被測定
物中に超音波を伝搬させ、その伝搬時間と被測定物中の
超音波音速から被測定物の厚さを測定する方法がよく知
られており、この方法を用いた厚さ測定装置も多数市販
されている。これらの超音波厚さ測定では、圧電素子等
を用いた超音波探触子を、水、油等を介して被測定物に
接触させる必要があるため、製造ライン等における高温
材料、あるいは高速で移動する材料への適用が困難であ
った。又、超音波の音速は、その伝搬媒体の温度によっ
て大きく変化するため、被測定物の温度が変化する環境
下では、音速の変化によって大きな測定誤差が生ずると
いう問題があった。

【０００３】これらの問題を解決する方法として、電磁
式超音波送受信器を用いた方法が特開昭５４−９７４４
７号に開示されている。又、レーザ超音波法と放射温度
計を用いた方法が、“Ｐroceeding of 39th Ｍechan
ical Ｗork Ｓteel Ｐrocess Ｃonference”，ＩＳ
Ｓ，Ｖol．ＸＸＸＶ，p.927(1998)に記載されている。

【０００４】前者の方法は、電磁式超音波送信器によ
り、被測定物中に非接触で超音波縦波と超音波横波を被
測定物表面と垂直方向に発生させ、被測定物底面で反射
された縦波及び横波を電磁式超音波受信器で受信し、縦
波の伝搬時間ｔ_L及び横波の伝搬時間ｔ_Sをそれぞれ求
め、この比ｔ_L／ｔ_Sを用いて被測定物の厚さを算出する
ものである。即ち、予め被測定物と同材質の材料におけ
る縦波及び横波の音速Ｖ _L、Ｖ_Sの比Ｖ_L／Ｖ_Sと被測定物
温度との関係を求めておき、被測定物厚さによらずｔ_L
／ｔ_S＝Ｖ_S／Ｖ_Lとなることを利用して、ｔ_L／ｔ_Sから
被測定物温度Ｔを求め、温度Ｔにおける縦波の音速Ｖ_L
（Ｔ）あるいは横波音速Ｖ_S（Ｔ）を用いて、被測定物
厚さｄを ｄ＝（Ｖ_L（Ｔ）×ｔ_L）／２ あるいは ｄ＝（Ｖ_S（Ｔ）×ｔ_S）／２ なる演算によって算出するものである。この方法は、被
測定物の温度に対応した超音波音速値を用いて厚さを算
出できるので、精度良く被測定物の厚さが求められる。

【０００５】又、後者の方法は、被測定物に高出力のレ
ーザを照射して、被測定物表面にアブレーションを発生
させ、その反力によって被測定物中に被測定物表面に垂
直方向に縦波を発生させ、この伝搬時間から被測定物の
厚さを求めるものである。被測定物の温度変化を補正す
るために、別途放射温度計を設置する方策も提案されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
電磁式超音波送受信器を用いた方法は、原理的に導電性
の材料にしか適用できないという問題があった。又、こ
の方法では、電磁式超音波送受信器と被測定物表面との
リフトオフを非常に小さくする（例えば１ｍｍ）必要が
あるため、材料が上下にバタツキながら移動する製造ラ
イン、あるいは種々の厚さの材料を処理する製造ライン
等では、被測定物である材料と電磁式超音波送受信器が
接触する危険があるため、適用が困難であった。

【０００７】一方、後者のレーザ超音波を用いた方法
は、絶縁体の材料中にも超音波を発生でき、また１ｍ以
上のリフトオフをとることも可能であるが、温度変化に
よる厚さ測定誤差を補正するために、別途放射温度計等
が必要になり、このため、測定装置が煩雑、大型、高価
になるという問題があった。又、放射温度計では被測定
物の表面温度しか測定できないため、厚さ方向の温度分
布が一定でない材料の場合は温度測定誤差が生ずるとい
う問題もあった。

【０００８】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、被測定物の温度が変化するような環
境下でも、非接触で材料の厚さを高精度で測定すること
が可能な材料厚さの非接触測定方法及び装置を提供する
ことを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測定物の表
面上の２つの位置Ｐ_L、Ｐ_Sに相異なるタイミングでレー
ザビームを照射し、第１の位置に照射したレーザによっ
て被測定物中に超音波縦波を発生させると共に、第２の
位置に照射したレーザによって被測定物中に超音波横波
を発生させ、超音波検出用のレーザ及び光学干渉計から
なる非接触超音波検出器によって、これらの超音波を検
出し、被測定物中の超音波縦波及び超音波横波の伝搬時
間ｔ_L及びｔ_Sを測定し、予め求めておいたｔ_L及びｔ_Sと
被測定物中の超音波音速との関係式及び前記2つの位置
Ｐ_LとＰ_Sの距離を用いて、ｔ_Lとｔ _Sから被測定物中の超
音波音速を求め、この音速と測定した超音波伝搬時間か
ら被測定物の厚さを算出するようにして、前記課題を解
決したものである。

【００１０】ここで、前記第１の位置に照射するレーザ
ビームのパワー密度を、前記第２の位置に照射するレー
ザビームのパワー密度より大きくするのが好ましい。

【００１１】本発明は、又、材料厚さの非接触測定装置
を、被測定物の表面上の第１の位置にレーザパルスを照
射して、被測定物中に超音波縦波を発生させる第１の超
音波発生手段と、被測定物の表面上の第２の位置にレー
ザパルスを照射して、被測定物中に超音波横波を発生さ
せる第２の超音波発生手段と、前記２つのレーザパルス
の照射タイミングを時間的に異ならせるタイミング制御
手段と、被測定物中を伝搬する前記超音波縦波及び横波
を検出する超音波検出手段と、前記超音波縦波及び横波
の被測定物中の伝搬時間ｔ_L及びｔ_Sを計測し、これらの
値から被測定物の厚さを算出する演算処理手段によって
構成することにより、前記課題を解決したものである。

【００１２】ここで、前記第１及び第２の超音波発生手
段を、単一のレーザパルス発生器と、このレーザパルス
発生器から出力されるレーザビームを２方向に分岐する
光波分岐手段によって構成することが好ましい。

【００１３】又、前記第１及び第２の超音波発生手段
を、第１の超音波発生手段によるレーザ照射パワー密度
が、第２の超音波発生手段によるレーザ照射パワー密度
より高くなるようにすることが好ましい。

【００１４】まず、レーザ超音波法による縦波と横波の
発生形態について説明する。図７、図８に示す如く、被
測定物１０の表面に超音波発生用レーザ１２からレーザ
ビームを照射すると、被測定物表面の被照射部分を音源
とする超音波縦波、横波、及び表面波が同時に被測定物
内部及び表面に発生する。これらの超音波の発生形態
は、照射するレーザビームのパワー密度によって変わ
り、パワー密度が十分高い時には、図７に示す如く、ア
ブレーション機構で、又、低い時には、図８に示す如
く、熱弾性機構で超音波が発生する。

【００１５】アブレーション機構では、図７に示すよう
に、発生する縦波の指向特性は、被測定物表面の垂直方
向にピークを有する（θ_L＝０°）が、発生する横波の
指向特性ビークは、この垂線方向に対して角度θ_Sだけ
傾いた角度になる。金属材料の場合、θ_Sは３５°近辺
になる。この場合、縦波の方が横波より格段に効率的に
発生される。

【００１６】一方、熱弾性機構では、図８に示すよう
に、被測定物表面の垂線方向には縦波も横波もほとんど
伝搬されず、金属材料の場合、縦波と横波の指向特性の
ピークはそれぞれおよそθ_L＝６５°、θ_S＝３０°近辺
になる。この場合、横波の指向特性は非常に鋭くなるの
で、特定方向に横波を伝搬させる場合は、熱弾性機構の
方が有利である。

【００１７】次に、レーザ超音波法を用いた材料の厚さ
測定について、図９を例にして説明する。図９では、超
音波発生用レーザ１２から被測定物１０の表面にアブレ
ーション機構でレーザビームを照射して、被測定物表面
に垂直な方向に縦波を発生させている。又、この被測定
物の反対側の面のレーザ照射位置に対応する位置に、超
音波検出用レーザ２０から受信プローブ２２を介してレ
ーザビームを照射し、その反射光を同じく受信プローブ
２２を介して光学干渉計２４に導いている。超音波発生
用レーザ１２によって発生した縦波が被測定物１０中を
伝搬して前記レーザ照射と反対の面（図では下面）に到
達すると、超音波到達によって表面が微小量だけ変位す
る。この微小変位を光学干渉計２４を用いて検出する。
信号処理器２６は、光学干渉計２４で検出された超音波
変位信号から、縦波の被測定物中の伝搬時間ｔ_Lを測定
し、被測定物１０の厚さｄを、 ｄ＝Ｖ_L・ｔ_L として求める。ここでＶ_Lは、被測定物中の縦波の音速
であり、予め測定しておく。

【００１８】このようにして、レーザ超音波法によって
材料の厚さを非接触で測定することができる。一般に材
料の厚さを測定するには、材料の表面に垂直な方向に伝
搬する超音波の伝搬時間を利用するため、上記のよう
に、アブレーション機構によって材料の表面に垂直に伝
搬する縦波を発生させる方法が簡便である。

【００１９】しかしながら、前述のように超音波の音速
は材料の温度によって大きく変化する。例えば、低炭素
鋼中の縦波及び横波の音速は、図１０に示すように温度
が高くなるほど減少する。従って、被測定物温度が変化
する場合、音速変化によって厚さ測定に大きな誤差が生
ずることになる。そこで本発明者は、材料中を伝搬する
横波の音速を同時に計測することによって、温度変化に
よらずに高精度の厚さ測定を可能とする方法及び装置を
考案した。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態を詳細に説明する。

【００２１】図１は、本発明による厚さ測定装置の第１
実施形態のブロック図を、又、図２は、本実施形態によ
る厚さ測定における信号のタイムチャート例を模式的に
示したものである。

【００２２】本実施形態は、図１に示す如く、従来例と
同様の超音波発生用レーザ１２、超音波検出用レーザ２
０、受信プローブ２２、光学干渉計２４を有する厚さ測
定装置において、超音波発生用レーザを２台（１２Ａ、
１２Ｂ）設けると共に、その照射タイミングをずらすタ
イミング制御器３０と、光学干渉計２４の出力ＷＦから
縦波及び横波の伝搬時間ｔ_L、ｔ_Sを測定する時間間隔測
定器３２と、ｔ_L及びｔ_Sの値から被測定物１０の厚さｄ
を算出する演算処理器３４を備えたものである。

【００２３】前記第１、第２の超音波発生用レーザ１２
Ａ、１２Ｂのそれぞれの照射位置Ｐ _L、Ｐ_S及び超音波検
出用レーザ２０の照射位置（受信プローブ２２の配置位
置）は、図１に示すように調整する。即ち、第１の超音
波発生用レーザ１２Ａにより発生する縦波の指向特性の
ピークとなる角度、及び、第２の超音波発生用レーザ１
２Ｂにより発生する横波の指向特性のピークとなる角度
に、受信プローブ２２を配置するようにする。このよう
な配置は、被測定物１０の厚さｄによって変化するが、
被測定物厚さｄの推定値あるいは平均値に基づいて幾何
学的に決定する。このような配置をとることにより、光
学干渉計の出力ＷＦには、図２に示すように、縦波と横
波が交互に現われることになる。

【００２４】なお、第１及び第２の超音波発生用レーザ
１２Ａ、１２Ｂから、それぞれ縦波と横波を効率的に発
生させるためには、第１の超音波発生用レーザ１２Ａに
よるレーザ照射パワー密度を十分高くしてアブレーショ
ン機構にすると共に、第２の超音波発生用レーザ１２Ｂ
によるレーザ照射パワー密度を十分低くして熱弾性機構
にするのが好ましい。

【００２５】前記タイミング制御器３０は、時間間隔ｔ
₀のトリガ信号Ｔr１及びＴr２を発生する。図２に示す
ように、Ｔr１とＴr２は時間ｔ₀／２だけタイミングを
ずらしてある。

【００２６】以下、第１実施形態の動作を説明する。

【００２７】２つの超音波発生用レーザ１２Ａ、１２Ｂ
から、それぞれトリガ信号Ｔr１、Ｔr２に同期して、レ
ーザパルスを被測定物１０の表面に照射する。被測定物
の、上記レーザ照射面と反対側の面に超音波検出用レー
ザ２０を受信プローブ２２を介して照射し、その反射光
を受信プローブ２２を介して光学干渉計２４に導き、超
音波による表面変位ＷＦを検出する。

【００２８】前記時間間隔測定器３２は、光学干渉計２
４の出力ＷＦから縦波及び横波の伝搬時間ｔ_L、ｔ_Sを測
定する。

【００２９】次に、測定した縦波及び横波の伝搬時間ｔ
_L、ｔ_Sから演算処理器３４によって板厚ｄを求める方法
について詳しく説明する。図１から幾何学的に、 ｄ＝Ｖ_L・ｔ_L …（１） ｄ²＝（Ｖ_S・ｔ_S）²−δ² …（２） である。一方、図１０に示したように、超音波音速は材
料温度Ｔによってほぼ直線的な変化をする。そこで、 Ｖ_L＝ａ₁・Ｔ＋ｂ₁ …（３） Ｖ_S＝ａ₂・Ｔ＋ｂ₂ …（４） と近似することができる。

【００３０】（１）、（２）、（３）、（４）式より

【数１】 α＝ｂ₁ ²・ｔ_L ²−ｂ₂ ²・ｔ_S ²＋δ² …（６） となるので、予め（１）、（２）式の線形近似定数
ａ₁、ｂ₁、ａ₂、ｂ₂の値及びレーザ照射位置間隔δを求
めておけば、ｔ_L、ｔ_Sを測定することによって、（５）
式より被測定物の温度Ｔが求められる。求まった温度Ｔ
と（３）式により、測定時の温度における縦波音速Ｖ_L
がわかるので、（１）式より被測定物の厚さｄが算出で
きる。又、求まった温度Ｔと（４）式により、測定時の
温度における横波音速Ｖ_Sを求め、（２）式より被測定
物の厚さｄを算出してもよい。

【００３１】なお、上記のように超音波音速の材料温度
Ｔによる変化を直線近似する方法以外にも、超音波音速
の材料温度Ｔによる変化を２次曲線近似する方法、ある
いは超音波音速の材料温度Ｔによる変化を多項式近似す
るのではなく、超音波音速と材料温度Ｔの関数関係と
（１）、（２）式の関係を用いて、収束計算によって温
度Ｔを求める方法であっても差し支えない。

【００３２】又、被測定物の温度変化に伴う厚さ変化が
無視できない場合は、温度Ｔにおける被測定物の厚さ変
化の割合を加味して、上記の超音波音速と材料温度Ｔの
関数関係を決定するのが好ましい。

【００３３】図３は、本発明による材料厚さの非接触測
定装置の第２実施形態を示すブロック図である。本実施
形態では、単一の超音波発生用レーザ１２を用いてお
り、このレーザ１２から出力されるレーザパルスを、光
路変更ミラー４０によって被測定物の表面の異なる２つ
の位置Ｐ_L及びＰ_Sに走査可能にしている。

【００３４】位置Ｐ_Lに照射するビームの経路に第１の
レンズ４２Ａを設置してレーザ光を強く集束し、被測定
物表面に照射されるレーザパルスのパワー密度を高く
し、Ｐ _Lにおいてアブレーション機構で縦波が発生する
ようにする。一方、位置Ｐ_Sに照射するビームの経路に
第２のレンズ４２Ｂを設置してレーザ光を弱く集束し、
被測定物表面に照射されるレーザパルスのパワー密度を
低くし、Ｐ_Sにおいて熱弾性機構で横波が発生するよう
にする。

【００３５】このような構成にすることにより、高価な
超音波発生用レーザを１個に削減することができる。
又、２つのレンズ４２Ａ、４２Ｂによって照射レーザの
パワー密度を変えることにより、効率良く縦波と横波を
被測定物中に発生させることが可能になる。なお、この
ようにレーザパルスのパワー密度を変化させて、アブレ
ーション機構で縦波を、又、熱弾性機構で横波をそれぞ
れ発生させる手法は、第１実施形態にも適用可能であ
る。又、レーザパルスのパワー密度を変化させる方法と
しては、第２実施形態のようにレンズを用いる方法だけ
でなく、超音波発生用レーザの出力を可変とする方法で
あっても差し支えない。光波分岐手段も、光路変更ミラ
ーに限定されるものではなく、光カプラによって分岐す
る方法などであってもよい。

【００３６】図４は、本発明による材料厚さの非接触測
定装置の第３実施形態を示すブロック図である。本実施
形態では、第１実施形態と同じ超音波発生用レーザ１２
Ａ、１２Ｂと超音波検出光学系による測定を、被測定物
１０の同側（図では上側）の表面にて行うものであり、
被測定物中を往復する縦波及び横波の伝搬時間を測定す
るものである。

【００３７】なお、上記の説明では、縦波及び横波発生
用のレーザパルスを被測定物に交互に、しかも等時間間
隔で照射する方法について述べたが、本発明はこれに限
定されるものではなく、用途に応じて、これらのパルス
を１回ずつ、あるいは複数回ずつ照射するようにしても
差し支えない。又、上記の説明では、超音波検出用レー
ザの照射を超音波検出用の受信プローブを介して行う方
法について述べたが、受信プローブとは別個に被測定物
に照射してもよい。更に上記の説明では、縦波及び横波
の伝搬時間を、トリガパルスと底面反射エコーの時間間
隔から求めるようにしているが、複数の多重底面エコー
を用いて求めるようにしてもよい。

【００３８】又、上記の説明では、板状の被測定物を対
象とした場合について述べたが、曲面状の材料等であっ
ても適用可能である。

【００３９】

【実施例】本発明による厚さ測定の実施例について述べ
る。本例では、厚さ約１９〜２１ｍｍの鋼板２４枚の板
厚を、常温で接触式のマイクロメータで測定し、これを
真の板厚とした。次に、これらの鋼板を約８００、９０
０、１０００℃に熱した高温下で、従来法及び本発明に
よる方法で測定した。装置としては、第２実施形態を用
いた。従来法の測定では、鋼板に伝搬させた縦波の伝搬
時間ｔＬのみに基づいて板厚を算出した。この時、縦波
の音速として、約９００℃の時の音速を用いた。これに
対し、本発明による方法では、縦波及び横波の伝搬時間
ｔ_L、ｔ_Sを検出し、前出（５）式の演算により被測定物
の温度Ｔを算出し、温度Ｔにおける縦波の音速と縦波の
伝搬時間から鋼板の板厚を求めた。

【００４０】マイクロメータ測定値に対する、従来法及
び本発明による測定結果を、それぞれ図５及び図６に示
す。これらのグラフでは、２４枚の測定結果を直線で回
帰した結果を示してある。従来法では、図５に示す如
く、被測定鋼板の温度が変化すると板厚測定値に大きな
誤差が生じている。これに対し本発明による方法では、
図６に示す如く、温度Ｔ＝８００、９００、１０００℃
における測定結果は、ほぼ一致し、温度が変化する環境
下でも正確に板厚が測定できることが確認された。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、被測定物の温度が変化
するような環境下でも、非接触で材料の厚さを高精度で
測定することができる。

【００４２】又、第２実施形態のように、単一の超音波
発生用レーザと単一の超音波受信装置によって測定する
ことも可能なので、装置全体の小型化、低価格化が図れ
るという効果も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による厚さ測定装置の第１実施形態の構
成を示すブロック図

【図２】本発明による厚さ測定における信号の例を示す
タイムチャート

【図３】本発明による厚さ測定装置の第２実施形態の構
成を示すブロック図

【図４】同じく第３実施形態の構成を示すブロック図

【図５】従来例による厚さ測定結果の一例を示す線図

【図６】本発明の第２実施形態による厚さ測定結果の一
例を示す線図

【図７】アブレーション機構で発生する縦波及び横波の
主たる伝搬方向を示す模式図

【図８】熱弾性機構で発生する縦波及び横波の主たる伝
搬方向を示す模式図

【図９】レーザ超音波による厚さ測定の原理を説明する
模式図

【図１０】鋼中の縦波及び横波音速の温度による変化を
示す線図

【符号の説明】

１０…被測定物 １２、１２Ａ、１２Ｂ…超音波発生用レーザ ２０…超音波検出用レーザ ２２…受信プローブ ２４…光学干渉計 ３０…タイミング制御器 ３２…時間間隔測定器 ３４…演算処理器 ４０…光路変更ミラー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の表面上の２つの位置Ｐ_L、Ｐ_Sに
   相異なるタイミングでレーザビームを照射し、 第１の位置に照射したレーザによって被測定物中に超音
   波縦波を発生させると共に、第２の位置に照射したレー
   ザによって被測定物中に超音波横波を発生させ、 超音波検出用のレーザ及び光学干渉計からなる非接触超
   音波検出器によって、これらの超音波を検出し、 被測定物中の超音波縦波及び超音波横波の伝搬時間ｔ_L
   及びｔ_Sを測定し、 予め求めておいたｔ_L及びｔ_Sと被測定物中の超音波音速
   との関係式及び前記２つの位置Ｐ_LとＰ_Sの距離を用い
   て、ｔ_Lとｔ_Sから被測定物中の超音波音速を求め、 この音速と測定した超音波伝搬時間から被測定物の厚さ
   を算出することを特徴とする材料厚さの非接触測定方
   法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第１の位置に照射
   するレーザビームのパワー密度を、前記第２の位置に照
   射するレーザビームのパワー密度より大きくすることを
   特徴とする材料厚さの非接触測定方法。
3. 【請求項３】被測定物の表面上の第１の位置にレーザパ
   ルスを照射して、被測定物中に超音波縦波を発生させる
   第１の超音波発生手段と、 被測定物の表面上の第２の位置にレーザパルスを照射し
   て、被測定物中に超音波横波を発生させる第２の超音波
   発生手段と、 前記２つのレーザパルスの照射タイミングを時間的に異
   ならせるタイミング制御手段と、 被測定物中を伝搬する前記超音波縦波及び横波を検出す
   る超音波検出手段と、 前記超音波縦波及び横波の被測定物中の伝搬時間ｔ_L及
   びｔ_Sを計測し、これらの値から被測定物の厚さを算出
   する演算処理手段と、を備えたことを特徴とする材料厚
   さの非接触測定装置。
4. 【請求項４】請求項３において、前記第１及び第２の超
   音波発生手段を、単一のレーザパルス発生器と、このレ
   ーザパルス発生器から出力されるレーザビームを２方向
   に分岐する光波分岐手段によって構成することを特徴と
   する材料厚さの非接触測定装置。
5. 【請求項５】請求項３又は４において、前記第１及び第
   ２の超音波発生手段を、第１の超音波発生手段によるレ
   ーザ照射パワー密度が、第２の超音波発生手段によるレ
   ーザ照射パワー密度より高くなるようにすることを特徴
   とする材料厚さの非接触測定装置。