JP2003344035A

JP2003344035A - 超音波による厚さ測定方法および測定装置

Info

Publication number: JP2003344035A
Application number: JP2002150293A
Authority: JP
Inventors: Takashige Shiratori; 貴重白鳥
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】レンズのような超音波反射面に曲率を持つこ
とにより、平面よりも反射波が減衰してしまう測定物に
おいても、精度良く厚さ測定を可能にする。【解決手段】超音波伝搬物質を介して超音波振動子か
ら被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面におけ
る反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超音波
による厚さ測定装置にあって、被測定物とほぼ同一形状
で厚さが既知であるサンプルおよび被測定物を測定する
測定部１０と、サンプルの既知の厚さおよび測定部１０
によるサンプルの測定値を入力し、測定部１０の測定値
を補正する補正値を得る補正部１３と、補正部１３から
の補正値に基づいて被測定物の測定値を補正する演算部
１１と、演算部１１で補正して得た被測定物の厚さを表
示する表示部１２を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を用いて被
測定物の厚さを測定する方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波により厚さを測定する技術
としては、例えば特開平２−２７６９０５号公報にも記
載されているように、被測定物の表面および裏面からの
反射波を測定することにより行う方法が知られている。
これを図２に示す被測定物の厚さ測定状態を示す図を用
いて説明する。

【０００３】超音波伝搬物質である水１００内に、図示
しない保持機構によって保持されている超音波プローブ
１０２は、その下端部に振動子１０３を有している。こ
の振動子１０３は、超音波の照射および反射波の受波が
可能である。振動子１０３から被測定物１０１に照射さ
れ、水１００内を伝搬した超音波は、被測定物１０１の
表面で反射する表面反射波１０４と、被測定物１０１内
に進行し被測定物１０１の裏面で反射し表面を通過して
再び水１００内に戻る裏面反射波１０５とに分かれる。

【０００４】図３（ａ）は、超音波の振動子１０３の送
受信状態を示す模式図である。送信波形１１０は振動子
１０３が超音波を照射した際の波形を示す。第１の反射
波形１１１は、被測定物１０１の表面で反射した表面反
射波１０４を受信した波形を示す。第２の反射波形１１
２ａは、被測定物１０１の裏面で反射した裏面反射波１
０５を受信した波形を示す。第３の反射波形１１２ｂ
は、上記裏面反射波１０５が被測定物１０１の表面を通
過する際にその一部が反射して被測定物１０１内で更に
１往復分反射を繰り返したものである。

【０００５】図３における、第１の反射波形１１１と第
２の反射波形１１２ａ間の時間であるΔｔ_１、あるいは
第２の反射波形１１２ａと第３の反射波形１１２ｂ間の
時間であるΔｔ_２は、超音波が被測定物１０１の表面と
裏面間を１往復する時間に相当するので、Δｔ_１あるい
はΔｔ_２を測定することにより、被測定物１０１の厚さ
が算出可能である。被測定物１０１内を通過する超音波
の音速をＶ、被測定物１０１の厚さをＨとすると、「Ｈ
＝Δｔ・Ｖ・１／２」と表される（ここでΔｔ＝Δｔ_１
またはΔｔ_２）。被測定物１０１の材質によって音速Ｖ
は異なるため、被測定物１０１と同じ材質でかつ厚さが
既知の部材を測定し、既知である部材の厚さとΔｔ_１ま
たはΔｔ_２とから音速Ｖを求めることにより、被測定物
１０１の厚さＨを求める。被測定物１０１が厚くなる場
合、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）よりもΔｔの
間隔が延びて観察され、厚さＨの計算結果もそれに準ず
る。

【０００６】Δｔの測定は、図３（ａ）に示すように、
第１の反射波形１１１、第２の反射波形１１２ａ、第３
の反射波形１１２ｂに、スライスレベル１１３を設け、
反射波との交点を結ぶ時間を計測する。

【０００７】被測定物１０１が平面板であれば、図３
（ａ）もしくは（ｂ）に示すような波形が容易に得ら
れ、反射波がスライスレベル１１３よりも十分大きく正
確に測定が可能である。

【０００８】しかし、図４に示すように、被測定物１０
１が例えばレンズのように平面でない場合、その曲率半
径が小さければ小さいほど超音波１２０は屈折波１２１
のよにさまざまな方向へと屈折してしまう。このため、
振動子１０３に戻る超音波の反射量が減少し、図３
（ｃ）に示すように、振動子１０３で受信される反射波
は検出し難い小さな波形となる。

【０００９】反射波は、図５の波形に示されるように、
山形を形成する。このため、反射波の大きさを示す山の
高さが変化すれば、山の立ち上がり位置が変化すること
になる。例えば、図５に示すように、反射波形１１４ａ
およびこれが減衰したときの反射波形１１４ｂとでは、
スライスレベル１１３との交点に時間差Δｔ_３を生じ、
これが測定誤差になる。

【００１０】超音波は、固体中では水中に比べて大きく
減衰するので、振動子１０３が受信する反射波のレベル
は、被測定物１０１の形状だけでなく、その厚さにも影
響を受ける。反射波の強さが弱い場合、被測定物１０１
内における超音波の減衰により、反射波形は一段と小さ
くなり、スライスレベル１１３による測定誤差が大きく
なる。以上説明したように、測定面の形状に加えて、超
音波自体の著しい減衰により、この従来の厚さ測定技術
においては、レンズのように平面形状をしていない被測
定物の測定が困難であった。

【００１１】これに対して、特開平２−２７６９０５号
公報に記載の超音波厚さ測定方法では、超音波の送受信
波形をＡＤ変化してプロットするとともに、被測定物に
おける表面および裏面からの反射波の存在し得る領域を
設定することによって、反射波の時間差を正しく測定で
きるとしている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この超
音波厚さ測定方法を用いても、被測定物の表面および裏
面の形状によっては、反射波が著しく減衰してしまい、
反射波を正しく識別できず、結果として誤った測定結果
を表示してしまうという問題があった。

【００１３】本発明は、以上の問題点を解決するために
なされたもので、被測定物に対して超音波を発信し、被
測定物における表面と裏面からの超音波反射時間差から
被測定物の厚さを算出する超音波厚さ測定において、レ
ンズのような超音波反射面に曲率を持つことにより、平
面よりも反射波が減衰してしまう測定物においても、精
度良く厚さ測定を可能にする超音波による厚さ測定方法
および測定装置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】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１の超音波による厚さ測定方法は、
超音波伝搬物質を介して超音波振動子から被測定物に超
音波を照射し、被測定物の表裏面における反射波の時間
差から被測定物の厚さを算出する超音波による厚さ測定
方法において、被測定物とほぼ同一形状で厚さが既知で
あるサンプルを測定する工程と、被測定物を測定する工
程と、該サンプルの測定値と既知の厚さに基づいて被測
定物の測定値を補正する工程とを有することを特徴とし
ている。

【００１５】本発明の請求項２の超音波による厚さ測定
方法は、超音波伝搬物質を介して超音波振動子から被測
定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面における反射
波の時間差から被測定物の厚さを算出する超音波による
厚さ測定方法において、被測定物の表面形状データと裏
面形状データとを記憶させる工程と、該表面形状データ
と裏面形状データとから、被測定物とほぼ同一形状を有
する場合のシミュレーションを行う工程と、被測定物を
測定する工程と、該シミュレーションの結果に基づいて
被測定物の測定値を補正する工程とを有することを特徴
としている。

【００１６】本発明の請求項３の超音波による厚さ測定
方法は、請求項１または２の超音波による厚さ測定方法
において、被測定物がレンズであることを特徴としてい
る。

【００１７】本発明の請求項４の超音波による厚さ測定
装置は、超音波伝搬物質を介して超音波振動子から被測
定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面における反射
波の時間差から被測定物の厚さを算出する超音波による
厚さ測定装置において、被測定物とほぼ同一形状で厚さ
が既知であるサンプルを測定して、該サンプルの測定値
と既知の厚さとから被測定物の測定値を補正する補正手
段を有することを特徴としている。

【００１８】本発明の請求項５の超音波による厚さ測定
装置は、超音波伝搬物質を介して超音波振動子から被測
定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面における反射
波の時間差から被測定物の厚さを算出する超音波による
厚さ測定装置において、被測定物の表面形状データと裏
面形状データとから、被測定物とほぼ同一形状を有する
場合のシミュレーションを行い、該シミュレーションの
結果から被測定物の測定値を補正する補正手段を有する
ことを特徴としている。

【００１９】本発明の請求項６の超音波による厚さ測定
装置は、請求項４まはた５の超音波による厚さ測定装置
において、被測定物がレンズであることを特徴としてい
る。

【００２０】請求項１，４の発明では、被測定物とほぼ
同一形状の物体（サンプル）を用いて測定値の補正を行
う。すなわち、厚さが既知のサンプルの厚さを超音波測
定し、この測定値と既知の厚さに基づき、超音波測定に
おける測定値に対する補正を行う。そして、被測定物を
超音波測定し、得られた測定値に上記補正を行うことで
被測定物の正確な厚さが求められる。

【００２１】請求項２，５の発明では、被測定物の表面
形状データと裏面形状データおよび厚さデータに基づく
超音波の減少もしくは減衰データを予め求めておき、被
測定物の形状データを演算部へ入力して、反射波形のシ
ミュレーションを行うことにより、補正用のサンプルが
無い場合であっても、被測定物の超音波測定により得ら
れた測定値に補正を行い、被測定物の厚さを正確に測定
することができる。

【００２２】請求項３，６の発明では、請求項１，２お
よび請求項４，５の発明により、被測定物が、平面形状
でなく反射面が湾曲しているレンズであっても、その厚
さを正確に求めることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の実施の
形態１を図１に基づいて説明する。図１は本実施の形態
１の説明図である。

【００２４】図１に示すように、本実施の形態の測定装
置には、超音波による測定を行うように構成された測定
部１０が設けられ、この測定部１０には、演算部１１が
相互通信可能に設けられている。演算部１１には他に、
補正部１３と表示部１２が接続されている。

【００２５】測定部１０は超音波の制御回路を含み、ま
た、水中にて超音波測定を行う機構になっている。補正
部１３は、厚さが既知の被測定物とほぼ同一形状のサン
プルを測定した測定値が測定部１０から伝達されるとと
もに、測定する材質における音速が入力可能である。こ
こで音速は、被測定物と同じ材質で厚さが既知の平面状
の部材を測定することによって、表裏面の形状による測
定誤差を排除して得られる。演算部１１は、測定結果の
演算および補正部１３からの補正値を基に、測定結果を
補正する機能を持つ。表示部１２は、演算部１１の演算
結果を表示可能に構成してある。

【００２６】（作用）次に、上記測定装置による厚さの
測定方法を説明する。演算部１１は、測定値の演算準備
が整うと測定部１０に測定信号を送信する。この信号を
受けて測定部１０は、超音波の発信を行い、被測定物に
おける表裏面での反射時間の差を演算部１１に返す。

【００２７】補正部１３には事前に、被測定物と同一の
ロットのレンズの中から厚さを正確に測定したサンプル
について、この正確に測定した実際の厚さを入力してお
く。そして、このサンプルを超音波を用いて測定する。
その結果と実際の厚さとの差は、前述したΔｔ_３に相当
する誤差であり、同一ロットの場合のように被測定物の
表裏面の形状がほぼ同じであれば一定であるので、演算
部１１において測定部１０より送信された超音波測定に
よるデータの補正に用いられる。

【００２８】サンプルレンズの真の値が５．０００ｍｍ
の時の超音波測定値が６．０００ｍｍと仮定すると、例
えば被測定物の超音波測定値が５．５００ｍｍであれ
ば、その被測定物の真の厚さは４．５００ｍｍとなる。
この演算は演算部１１で行い、その結果は表示部１２に
表示される。

【００２９】本発明の実施の形態１によれば、被測定物
と同一の外径および厚さについても近いサンプルを用い
ることにより、超音波の減衰状態が一致する。これによ
り、従来不可能であったレンズ等の被測定物において
も、高精度に厚さの測定が可能となる。

【００３０】（実施の形態２）本発明の実施の形態２を
説明する。本実施の形態の測定装置の構成は、実施の形
態１と同様であり、その説明を省略し、本実施の形態の
測定方法については図１を用いて以下に説明する。

【００３１】（作用）図１における補正部１３には、被
測定物における超音波の入射面形状、反射面形状、厚さ
の設計値を入力する。補正部１３にはその他に、予め超
音波の反射面形状や、厚さによる減衰率を測定したデー
タテーブルを持たせてある。

【００３２】補正部１３は、入力された被測定物の設計
値を基にデータテーブルから反射波の減衰値を算出し、
あたかも被測定物とほぼ同一形状を有するサンプルレン
ズを測定して求めたかのような補正用の比較データを作
成し、演算部１１に送る。

【００３３】演算部１１は、この補正用比較データによ
り、被測定物を実際に超音波測定して得られた測定値を
補正し、表示部１２に結果を表示する。

【００３４】本発明の実施の形態２によれば、予め記録
された各種形状の超音波反射減衰データを組み合わせる
ことにより、サンプルレンズを用いることなく従来不可
能であったレンズ等の被測定物においても、高精度に厚
さの測定が可能となる。

【００３５】なお、上記した具体的実施の形態から次の
ような構成の技術的思想が導き出される。（付記）（１）超音波伝搬物質を介して超音波振動子から被測定
物に超音波を照射し、被測定物の表裏面における反射波
の時間差から被測定物の厚さを算出する超音波による厚
さ測定方法において、被測定物の測定値を、被測定物と
同一形状で厚さが既知であるサンプルを測定した時の値
で補正することを特徴とする超音波による厚さ測定方
法。

【００３６】（２）超音波伝搬物質を介して超音波振動
子から被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面に
おける反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超
音波による厚さ測定方法において、被測定物の表面形状
と、裏面形状と、を基に被測定物の厚さを算出すること
を特徴とする超音波による厚さ測定方法。

【００３７】（３）超音波伝搬物質を介して超音波振動
子から被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面に
おける反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超
音波による厚さ測定装置において、被測定物の測定値
を、被測定物と同一形状で厚さが既知であるサンプルを
測定した時の値で補正することを特徴とする超音波によ
る厚さ測定装置。

【００３８】（４）超音波伝搬物質を介して超音波振動
子から被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面に
おける反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超
音波による厚さ測定装置において、被測定物の表面形状
と、裏面形状と、を基に被測定物の厚さを算出すること
を特徴とする超音波による厚さ測定装置。

【００３９】（５）超音波伝搬物質を介して超音波振動
子から被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面に
おける反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超
音波による厚さ測定方法において、被測定物とほぼ同一
形状で厚さが既知であるサンプルおよび被測定物を測定
手段で測定する工程と、該サンプルの測定値と既知の厚
さに基づいて被測定物の測定値を補正手段で補正する工
程とを有することを特徴とする超音波による厚さ測定方
法。

【００４０】（６）上記補正手段で補正する工程は、入
力されたサンプルの既知の厚さおよびサンプルの測定値
により補正値を補正部で得るとともに、補正部からの補
正値に基づいて被測定物の測定値を演算部で補正するこ
とを特徴とする付記（５）記載の超音波による厚さ測定
方法。

【００４１】（７）超音波伝搬物質を介して超音波振動
子から被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面に
おける反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超
音波による厚さ測定方法において、被測定物を測定手段
で測定する工程と、被測定物の表面形状データと裏面形
状データとを記憶させ、該表面形状データと裏面形状デ
ータとから、被測定物とほぼ同一形状を有する場合のシ
ミュレーションを行うとともに、前記測定工程で得た被
測定物の測定値を補正手段で補正する工程とを有するこ
とを特徴とする超音波による厚さ測定方法。

【００４２】（８）上記補正手段で補正する工程は、補
正部に被測定物の表面形状データと裏面形状データとを
記憶させ、該表面形状データと裏面形状データとから、
被測定物とほぼ同一形状を有する場合のシミュレーショ
ンを行い補正用比較データを作成するとともに、該補正
用比較データに基づいて上記測定工程で得た被測定物の
測定値を演算部で補正することを特徴とする付記（７）
記載の超音波による厚さ測定方法。

【００４３】（９）超音波伝搬物質を介して超音波振動
子から被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面に
おける反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超
音波による厚さ測定装置において、被測定物とほぼ同一
形状で厚さが既知であるサンプルおよび被測定物を測定
する測定手段と、該サンプルの測定値と既知の厚さとか
ら被測定物の測定値を補正する補正手段を有することを
特徴とする超音波による厚さ測定装置。

【００４４】（１０）上記補正手段は、サンプルの既知
の厚さおよびサンプルの測定値を入力し、測定手段の測
定値を補正する補正値を得る補正部と、補正部からの補
正値に基づいて被測定物の測定値を補正する演算部を有
することを特徴とする付記（９）記載の超音波による厚
さ測定装置。

【００４５】（１１）超音波伝搬物質を介して超音波振
動子から被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面
における反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する
超音波による厚さ測定装置において、被測定物を測定す
る測定手段と、被測定物の表面形状データと裏面形状デ
ータとを記憶させ、該表面形状データと裏面形状データ
とから、被測定物とほぼ同一形状を有する場合のシミュ
レーションを行うとともに、上記測定手段で測定した被
測定物の測定値を補正する補正手段を有することを特徴
とする超音波による厚さ測定装置。

【００４６】（１２）上記補正手段は、記憶した被測定
物の表面形状データと裏面形状データとから被測定物と
ほぼ同一形状を有する場合のシミュレーションを行い補
正用比較データを作成する補正部と、該補正用比較デー
タに基づいて上記測定手段で測定した被測定物の測定値
を補正する演算部を有することを特徴とする付記（１
１）記載の超音波による厚さ測定装置。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
および請求項４の超音波による厚さ測定方法および測定
装置によれば、厚さが既知のサンプルを測定し、その測
定値と既知の値により超音波測定における測定値の補正
値を求め、被測定物を超音波測定して得た測定値を上記
補正値に基づいて補正し、レンズ等の超音波の拡散や、
減衰により反射波が十分に得られない形状を持った被測
定物においても、高精度に測定を行うことが可能とな
る。

【００４８】本発明の請求項２および請求項５の超音波
による厚さ測定方法および測定装置によれば、被測定物
の表面形状データと裏面形状データとに基づいてシミュ
レーションを行って補正用のデータを作成し、この補正
用のデータにより測定手段で測定した被測定物の測定値
を補正することができる。よって、被測定物とほぼ同一
形状のサンプルを作成する必要がなく、さらにレンズ等
の超音波の拡散や、減衰により反射波が十分に得られな
い形状を持った被測定物においても、高精度に測定を行
うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１および実施の形態２を説
明するため説明図である。

【図２】超音波伝搬形態を示す模式図である。

【図３】超音波信号波形の模式図である。

【図４】超音波屈折状態を示す模式図である。

【図５】超音波反射量による誤差を説明するための説明
図である。

【符号の説明】

１０測定部１１演算部１２表示部１３補正部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波伝搬物質を介して超音波振動子か
ら被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面におけ
る反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超音波
による厚さ測定方法において、被測定物とほぼ同一形状で厚さが既知であるサンプルを
測定する工程と、被測定物を測定する工程と、該サンプルの測定値と既知の厚さに基づいて被測定物の
測定値を補正する工程とを有することを特徴とする超音
波による厚さ測定方法。
【請求項２】超音波伝搬物質を介して超音波振動子か
ら被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面におけ
る反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超音波
による厚さ測定方法において、被測定物の表面形状データと裏面形状データとを記憶さ
せる工程と、該表面形状データと裏面形状データとから、被測定物と
ほぼ同一形状を有する場合のシミュレーションを行う工
程と、被測定物を測定する工程と、該シミュレーションの結果に基づいて被測定物の測定値
を補正する工程とを有することを特徴とする超音波によ
る厚さ測定方法。
【請求項３】被測定物がレンズであることを特徴とす
る請求項１または２記載の超音波による厚さ測定方法。
【請求項４】超音波伝搬物質を介して超音波振動子か
ら被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面におけ
る反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超音波
による厚さ測定装置において、被測定物とほぼ同一形状で厚さが既知であるサンプルを
測定して、該サンプルの測定値と既知の厚さとから被測
定物の測定値を補正する補正手段を有することを特徴と
する超音波による厚さ測定装置。
【請求項５】超音波伝搬物質を介して超音波振動子か
ら被測定物に超音波を照射し、被測定物の表裏面におけ
る反射波の時間差から被測定物の厚さを算出する超音波
による厚さ測定装置において、被測定物の表面形状データと裏面形状データとから、被
測定物とほぼ同一形状を有する場合のシミュレーション
を行い、該シミュレーションの結果から被測定物の測定
値を補正する補正手段を有することを特徴とする超音波
による厚さ測定装置。
【請求項６】被測定物がレンズであることを特徴とす
る請求項４または５記載の超音波による厚さ測定装置。