JP2012215561A - 超音波計測方法、及び超音波計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超音波センサ組として、電極ペースト62の目付け量を計測する実測用超音波センサ組10を少なくとも1組と、第1超音波センサ11及び第2超音波センサ12とは別で、一対の第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22とからなる校正用超音波センサ組20とを有し、電極ペースト62の厚みの計測時に、校正用超音波センサ組20でキャリブレーションを行うと共に、校正用超音波センサ組20で得られた計測条件値を用いて、実測用超音波センサ組10により、電極ペースト62の目付け量を算出することを特徴とする超音波計測方法。
【選択図】 図1
Description
図24に、特許文献1に開示された超音波計測装置の説明図を示す。特許文献1は、図24に示すように、一対の超音波送信手段81と超音波受信手段82とを計測対象物90の上方に配置し、超音波送信手段81から送信された入射波を計測対象物90に透過させ、計測対象物90からの反射波を超音波受信手段82で受信する超音波計測装置である。
伝播経路長測定手段86は、伝播時間計測手段83により得られた超音波の伝播時間と、速度校正手段85による伝播速度の校正値とに基づいて、計測対象物90の厚みのほか、液相91と固相92とが積層された計測対象物90の相変化の位置を計測できるようになっている。
キャリブレーションは、計測時に超音波センサで計測誤差をより少なくするため、通常、例えば、計測対象物の厚さ、距離等の計測(以下、「超音波計測」という。)を超音波センサで実施する前や実施した後、あるいは実測を中断したとき等、超音波計測を実測で実施していないときに行われている。
(1)特許文献1では、超音波送信手段81から計測対象物90に向けて送波した超音波や、計測対象物90で反射して超音波受信手段82で受波された超音波は、計測対象物90以外の媒質である空気層を伝播する。この空気層の温度が管理されていないと、空気層において音響インピーダンスは空気層の温度変化によって変化してしまう。
空気層で音響インピーダンスが変化すると、この空気層を伝播する超音波の波長が変化してしまうため、超音波の伝播速度を速度校正手段85で校正しただけでは、結果的に計測対象物90の厚み等を正確に得ることができない。
図25に示すように、センサA,Bとも、例えば、雰囲気温度20℃近傍のとき、受信信号強度は約825〔mV〕であったものが、雰囲気温度23℃を超えると、受信信号強度は780〔mV〕を下回り、3℃分の温度上昇変化で、受信信号強度は実に5%以上低下していることが判る。
図26に示すように、受波側超音波センサでは、その作動開始時(t=0〔min.〕)に、例えば、センサの温度が約28.5℃であったものが、作動開始後、t=120〔min.〕のときには、センサ自体の発熱により、約30.7℃まで上昇している。その一方で、作動開始後2時間が経過する間に、受信信号強度は、約76,200〔mV〕から約72,300〔mV〕までと、作動開始時の約5%も低下していることが判る。
超音波強度は、図27に示すように、ある波長の大きさをピーク値とする正規分布で変化し、波長の大きさがこのピーク値から前後に外れると、超音波強度が上記ピーク値より大きく低下する特性がある。
超音波計測は、受波する超音波の波長の大きさに基づいて演算処理され算出される。そのため、たとえキャリブレーションを適切に行っていても、キャリブレーションが、超音波計測の実測時にリアルタイムで実施されていなければ、同じ受波側超音波センサでも、超音波センサの雰囲気温度の違いや自己発熱に起因して、受波する超音波の波長の大きさが異なり、超音波計測をより精度良くできない問題があった。
(2)(1)に記載する超音波計測方法において、校正用超音波センサ組では、第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとに、超音波の伝播がフラットタイプの超音波センサを用いること、及び実測用超音波センサ組では、第1超音波センサと第2超音波センサとに、超音波の伝播がフラットタイプの超音波センサを用いること、を特徴とする。
なお、本発明の超音波計測方法では、「超音波の伝播がフラットタイプの超音波センサ」とは、超音波センサが送信側である場合、超音波センサで超音波を送波する超音波振動面が、1つの振動面、または複数に分割された振動面からなり、超音波振動面の全体形状が、例えば、矩形状、円形状等に形成された超音波センサである。また、送波した超音波を、空気層を介して、塗布製品のうち、超音波センサの超音波振動面と対向するエリア内に少なくとも伝播させることができる超音波センサをいう。
また、超音波センサが受信側である場合、超音波センサで超音波を受波する超音波振動面が、1つの振動面、または複数に分割された振動面からなり、超音波振動面の全体形状が、例えば、矩形状、円形状等に形成された超音波センサである。また、他の超音波センサから送波、照射されて塗布製品を少なくとも透過した超音波(透過波)を、空気層を介して超音波振動面全体で受波することができる超音波センサをいう。
(3)(1)または(2)に記載する超音波計測方法において、校正用超音波センサ組では、実測用超音波センサ組による実測前に、第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとの間に、キャリブレーションで用いる基準箔を配置し、第1校正用超音波センサから送波した超音波を基準箔に透過させ、第2校正用超音波センサで受波した超音波の第1受信信号を、計測条件値として予め取得すること、実測用超音波センサ組では、第1超音波センサと第2超音波センサとの間で塗布製品を透過した超音波の第2受信信号を取得すること、塗布材の厚みは、第1受信信号と第2受信信号との相対比により算出すること、を特徴とする。
(5)(3)または(4)に記載する超音波計測方法において、実測用超音波センサ組を基準箔の配置位置まで移動させ、実測用超音波センサ組により、第1超音波センサから送波した超音波を基準箔に透過させ、第2超音波センサで受波した超音波の第3受信信号を取得すること、を特徴とする。
(6)(5)に記載する超音波計測方法において、第1超音波センサから送波した超音波を、基準箔に透過させ、第2超音波センサで受波した超音波の受信信号として、第3サンプル受信信号を、基準箔内の複数の部位で取得すること、第3受信信号は、複数の第3サンプル受信信号に基づいて処理された信号であること、を特徴とする。
(7)(1)乃至(6)のいずれか1つに記載する超音波計測方法において、第1校正用超音波センサ及び第2校正用超音波センサと、第1超音波センサ及び第2超音波センサとは、それぞれ同期して超音波を送受信していること、を特徴とする。
(9)(8)に記載する超音波計測装置において、校正用超音波センサ組では、第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとに、超音波の伝播がフラットタイプの超音波センサを用いること、及び実測用超音波センサ組では、第1超音波センサと第2超音波センサとに、超音波の伝播がフラットタイプの超音波センサを用いること、を特徴とする。
(10)(8)または(9)に記載する超音波計測装置において、校正用超音波センサ組及び実測用超音波センサ組に対し、超音波の送受信と計測条件とを制御する制御手段を備え、制御手段は、校正用超音波センサ組による計測条件値を、実測用超音波センサ組にフィードバックすること、を特徴とする。
(11)(8)乃至(10)のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、キャリブレーションで用いる基準箔が、塗布製品と共に配置され、校正用超音波センサ組が、基準箔が配置されている第1位置と、第1位置から外れ、第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとの間に空気層だけが存在する第2位置との範囲を、少なくとも移動可能に設けられていること、を特徴とする。
(13)(12)に記載する超音波計測装置において、動作する保持部材に対し、仮想線が基準箔内の所定部位に交差する状態に対応する位置を検出する位置決め手段を備えていること、を特徴とする。
なお、「所定部位」とは、第1超音波センサと第2超音波センサとの間で伝播させる超音波を、基準箔内の所望の位置で、この基準箔を透過させる部位、または第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとの間で伝播させる超音波を、基準箔内の所望の位置で、この基準箔を透過させる部位をいう。
(14)(11)乃至(13)のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、実測用超音波センサ組が、第1位置と、第1位置から外れ、塗布製品が配置されている第3位置との範囲を少なくとも移動可能に設けられていること、を特徴とする。
(15)(11)乃至(14)のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、捲回されている基材は長尺状であり、基材の長辺に沿う長手方向及び基材の厚み方向に直交する方向を、基材の幅方向としたときに、基準箔は、塗布製品と幅方向に並んで配置され、校正用超音波センサ組と実測用超音波センサ組とが、それぞれ幅方向に沿う方向に移動すること、を特徴とする。
(17)(8)乃至(16)のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、実測用超音波センサ組には、第1超音波センサと第2超音波センサとに対し、超音波振動面と塗布製品との間の空気層を包囲する筒状の実測センサ用カバーが設けられていること、を特徴とする。
(18)(16)または(17)に記載する超音波計測装置において、校正センサ用カバー及び実測センサ用カバーは、内筒側カバーと、内筒側カバーより外側に位置する外筒側カバーとの2重構造で形成され、外筒側カバーは、基準箔または塗布製品と内筒側カバーよりも離れるよう、基材の厚み方向に沿う方向に対し、内筒側カバーより短く形成されていること、を特徴とする。
(19)(8)乃至(18)のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、基材は、塗布製品である電池の電極に用いる金属箔であり、塗布材は、金属箔に塗布された電極ペーストであること、を特徴とする。
(1)第1超音波センサと第2超音波センサとが一対の超音波センサ組を有し、ロール状に捲回されていた金属製の基材の片面または両面に塗布材を塗布した塗布製品の厚み方向に対し、一方側に第1超音波センサを、他方側に第2超音波センサを、それぞれ空気層を介して配置し、第1超音波センサと第2超音波センサとの間で超音波を伝播させることにより、塗布材の厚みを計測する超音波計測方法において、超音波センサ組として、塗布材の厚みを計測する実測用超音波センサ組を少なくとも1組と、第1超音波センサ及び第2超音波センサとは別で、一対の第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとからなる校正用超音波センサ組とを有し、塗布材の厚みの計測時に、校正用超音波センサ組でキャリブレーションを行うと共に、校正用超音波センサ組で得られた計測条件値を用いて、実測用超音波センサ組により、塗布材の厚みを算出するので、例えば、電池製造工程において、金属箔(基材)に電極ペースト(塗布材)を塗布して電極(塗布製品)を製造する製造ラインのインライン上で、塗布材の目付け量等、塗布材の厚みを計測する場合に、超音波センサの自己発熱や空気層の温度変化に起因した計測精度の誤差要因を排除して、塗布材の厚み(目付け量等)をより高精度に計測することができる。
空気層における音速、密度、及び音響インピーダンスは、次式より求められる。
(あ)音速
C=f×λ…式1
C:音速(m/sec)、f:超音波センサの周波数(kHz)、λ:波長(m)
また、
C=331.5+(0.61×t)…式2
t:温度(℃)
(い)密度
ρ=1.293×(273.15/(273.15+t))×(P/1013.25)…式3
ρ:密度(kg/m3)(ntp)、t:温度(℃)、P:気圧(atm)
(う)音響インピーダンス
Z=ρ×C…式4
Z:音響インピーダンス(Pa・s/m)
大気圧の下、空気層における音速、密度、及び音響インピーダンスは、式2及び式4より、空気層の温度に比例し、式1中、周波数fを定数とみなすと、波長λも、空気層の温度に比例する関係にある。
しかしながら、本発明の超音波計測方法では、実測用超音波センサ組は、例えば、空気層における音速、密度、音響インピーダンス、及び伝播する超音波の波長等、空気層の温度変化に伴いパラメータとして変化する計測条件値を、塗布材の厚みの計測時にリアルタイムに、校正用超音波センサ組から採り入れて実測している。
そのため、第1超音波センサと第2超音波センサとの間の空気層の温度が、たとえ計測中に変化しても、実測用超音波センサ組が、校正用超音波センサ組で補正された計測条件値の下、上述したように、実測時の実際の温度に対応した波長に基づいて、塗布材の厚みを計測することができる。
これに対し、本発明の超音波計測方法では、実測用超音波センサ組が、校正用超音波センサ組による計測条件値を、塗布材の厚みの計測時にリアルタイムに採り入れて実測している。
そのため、第1,第2超音波センサによる実測時と第1,第2校正用超音波センサによるキャリブレーションの実施時で、空気層の温度に差異が生じることはない。
よって、実測用超音波センサ組の波長の大きさと校正用超音波センサ組の波長の大きさとの相対差はほとんど生じず、校正用超音波センサ組の第1,第2校正用超音波センサと、実測用超音波センサ組の第1,第2超音波センサとが共に自己発熱しても、塗布材の厚み(目付け量等)の計測をより高精度に行うことができる。
そのため、例示したような電極ペーストの目付け量や目付けプロファイル等、塗布材の厚みに係る品質検査を、塗布製品の製造ライン上で実施することができる。
そのため、校正用超音波センサ組と実測用超音波センサ組との間で、超音波センサの超音波振動面の形態の違いに起因した特性上の差異が生じず、実測用超音波センサ組が、校正用超音波センサ組によるキャリブレーションで得られた計測条件値を、精度良く適切な状態で取得することができる。
M=A/α…式5
M:塗布材の目付け量(g/m2)、α:超音波の減衰率(%)、A:定数
超音波の減衰率αは、第1超音波センサと第2超音波センサとの間に箔を配置せず、空気層だけを伝播して受波する超音波の受信信号(箔無し受信信号)SCと、第1超音波センサと第2超音波センサとの間に配置した比較検討用基準箔を伝播して受波する超音波の受信信号(箔有り受信信号)SKとの相対比である。
(ア)比較検討用基準箔Aについて
比較検討用基準箔Aの目付け量MAを求めると、式5より
MA=A/(SKA/SC)…式6 式6より、A=MA×SKA/SC…式7
MA:比較検討用基準箔Aの目付け量(g/m2)、SKA:比較検討用基準箔A有り受信信号、SC:箔無し受信信号
(イ)比較検討用基準箔Bについて
比較検討用基準箔Bの目付け量MBを求めると、式5より
MB=A/(SKB/SC)…式8 式8より、A=MB×SKB/SC…式9
MB:比較検討用基準箔Bの目付け量(g/m2)、SKB:比較検討用基準箔B有り受信信号
(ウ)比較検討用基準箔Cについて
比較検討用基準箔Cの目付け量MCを求めると、式5より
MC=A/(SKC/SC)…式10 式10より、A=MC×SKC/SC…式11
MC:比較検討用基準箔Cの目付け量(g/m2)、SKC:比較検討用基準箔C有り受信信号
式7、式9、及び式11に示すように、定数A及び箔無し受信信号SCは一定であるため、式7、式9、及び式11を変形すると、
MA×SKA=MB×SKB=MC×SKC=A×SC=一定…式12
上述したように、式12が導き出される。
MX=A/(SX/SC)…式13
MX:比較検討用基準箔Xの目付け量(g/m2)、SX:比較検討用基準箔X有り受信信号
式12を用いて式13を変形すると、
MX=A×SC/SX=MA×SKA/SX=MB×SKB/SX=MC×SKC
/SX…式14
よって、式14の分子項は、式12より一定値であることから、比較検討用基準箔Xの目付け量MXが、式12から得られる一定値と、比較検討用基準箔Xの箔有り受信信号SXとの相対比から求めることができる。
具体的に、例えば、比較検討用基準箔Aが、キャリブレーションで用いる基準箔の場合で説明すると、式6の分母項において、箔無し受信信号SCは、第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとの間に、この基準箔を配置せず、空気層だけを伝播して受波する超音波の定数としての受信信号である。また、式6の分母項において、比較検討用基準箔A有り受信信号SKAは、第1受信信号そのものである。
その一方で、この基準箔において、重量と面積とが予め確認できていれば、基準箔の密度が把握できる。基準箔の目付け量MAは、基準箔の密度と等価であるため、基準箔の重量と面積とから求まる。
従って、上記のMX=MA×SKA/SX…式14において、分子項は、予め確認できている基準箔の重量と、基準箔の面積と、第1受信信号とから算出される。
上述したように、式14の分母項である受信信号SXは、目付け量が未知である比較検討用基準箔X、すなわち計測対象の塗布製品を伝播して受波する超音波の受信信号であり、第2受信信号そのものである。
従って、式14より、キャリブレーションで用いる基準箔の目付け量MA、及び第1受信信号SKAを、実測用超音波センサ組による実測前に前もって取得しておけば、塗布材の厚みの実測時に、第2受信信号を取得するだけで、塗布材の厚みを簡単に算出することができる。
これに対し、本発明の超音波計測方法では、第1サンプル受信信号が、基準箔内の複数の部位で取得され、第1受信信号(基準箔を透過する超音波の減衰率)が、得られた複数の第1サンプル受信信号に基づき、例えば、最小二乗法等の演算処理により、得られた信号である。そのため、第1受信信号は、信頼性がより高い最適な大きさの信号となる。特に、実測用超音波センサ組により塗布材の厚み(目付け量)を計測し算出する毎に、第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとの間を超音波が伝播する空気層に対し、その温度、密度、及び気圧を計測したその各データが、塗布材の厚みの計測毎に補正されることが好ましい。上記各データが塗布材の目付け量を算出する毎に補正された状態で、その都度、第1受信信号が取得されれば、第1受信信号は、より信頼性の高い信号で、高精度に維持されたままの信号とすることができる。
よって、実測用超音波センサ組は、第1受信信号及び第3受信信号に基づき、校正用超音波センサ組との機差を考慮した上で塗布材の厚みを算出すれば、校正用超音波センサ組と実測用超音波センサ組との機差による誤差要因を排除して、塗布材の厚みを高精度に計測することができる。
これにより、校正用超音波センサ組で、第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとの間で送受信する超音波と、実測用超音波センサ組で、第1超音波センサと第2超音波センサとの間で送受信する超音波とが、ほぼ同じ条件の下で、空気層を伝播するようになる。
よって、実測用超音波センサ組は、校正用超音波センサ組と同じ条件の下、雰囲気温度や自己発熱等の温度による誤差要因を排除した高精度の校正値として、校正用超音波センサ組から得られた計測条件値を取得することで、塗布材の厚みが、高精度に安定した状態で計測できる。
よって、実測用超音波センサ組の波長の大きさと校正用超音波センサ組の波長の大きさとの相対差はほとんど生じず、校正用超音波センサ組の第1,第2校正用超音波センサと、実測用超音波センサ組の第1,第2超音波センサとが共に自己発熱しても、計測精度を高精度に維持したまま、塗布材の厚みが計測できる。
また、本発明の超音波計測装置は、製造ラインに設備するときのコストも安価である上、塗布製品を製造する製造ラインに対し、新設または既設にかかわらず容易に組み込むことができる。
これにより、第2超音波センサで受波した透過波による受信信号が、塗布材の厚みを求めるための受信信号として、塗布製品の広域から得ることができるため、塗布製品において塗布材の厚みをより広い範囲で検出できる。よって、計測範囲内で塗布材の厚みのバラツキ等がより正確に把握でき、塗布材の目付け量等、塗布製品の所定範囲内における塗布材の全体的な厚みを、高い信頼性で計測することができる。
これに対し、本発明の超音波計測装置は、計測環境変化に対応し、常時、最新の計測条件値を採り入れて塗布材の厚みの計測を行うことができるため、塗布材の厚みの計測結果は、高精度でかつ高い信頼性を有した計測値となる。
これにより、キャリブレーションを行う雰囲気温度や空気層の密度、自己発熱による超音波センサの温度上昇等の計測環境が、たとえ変化しても、校正用超音波センサ組が、第1位置と第2位置との間を移動し、基準箔を透過する超音波の減衰率を求めるのに必要な箔有り受信信号SK及び箔無し受信信号SCを常時取得する。よって、塗布製品の塗布材の厚みの実測時には、計測環境変化に応じて最適な上記減衰率を取得することができる。
そのため、塗布材の厚みを計測する雰囲気温度や空気層の密度、自己発熱による超音波センサの温度上昇等の計測環境が、たとえ変化しても、校正用超音波センサ組との機差による誤差要因を、より確実に排除することができる。
これにより、校正用超音波センサ組と実測用超音波センサ組とも、雰囲気温度や空気層の密度等の計測環境に応じた計測条件の設定の変更を、タイムロスがなく効率良く行うことができる。
そのため、内筒側カバーと基準箔との間に僅かな隙間があっても、この小さな隙間を通気する空気は乱流の影響をほとんど受けず、超音波振動面と基準箔との間の空気層は、安定した状態を維持することができる。
そのため、内筒側カバーと塗布製品との間に僅かな隙間があっても、この小さな隙間を通気する空気は乱流の影響をほとんど受けず、超音波振動面と塗布製品との間の空気層は、安定した状態を維持することができる。
図1は、実施形態1に係る超音波計測装置の概略を示す斜視図である。図7は、図1中、A−A矢視に相当する方向から見た電極の断面図を示す。
本実施形態1では、図1において、金属箔61の長辺、及びこの長辺に沿う方向をX軸方向とし、電極60(金属箔61及び電極ペースト62)の厚み、及びこの厚みに沿う方向をZ軸方向とする。また、金属箔61の短辺に沿う方向(金属箔61の幅方向)、及びこの方向に沿う超音波計測装置1の幅方向で、X軸方向及びZ軸方向に直交する方向をY軸方向とする。以下、図2以降の図についても、図1に準ずる。
また、本実施形態1に係る超音波計測方法は、この超音波計測装置1を用いて電極ペースト62の目付け量の品質検査を行うときの方法である。
本発明において、前述したように、基材は、塗布製品である電池の電極に用いる金属箔61であり、塗布材は、金属箔61に塗布された電極ペースト62である。本実施形態1では、電極ペースト62を金属箔61の両面(一面61a及び他面61b)に塗工する場合について説明する。
電極60は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の電源として、二次電池に用いる電極であり、図7に示すように、Al,Cu等の金属箔61の両面61a,61bに電極ペースト62を塗布してなる。具体的には、電極ペースト62は、図1に示すように、金属箔61の両面61a,61bのうち、Y軸方向両側の一部分を除いた部分に塗布されている。
なお、図1には図示されていないが、電極製造ラインで製造される電極60のうち、X軸方向に対し、搬送開始で先頭となる先端部、及び搬送終了で後尾となる後端部は、金属箔61の両面61a,61bに電極ペースト62が塗布されない金属箔61だけとなっている。
超音波計測装置1は、図1及び図2に示すように、計測部7、超音波計測制御部5(制御手段)、厚み演算部40、及びモニタ41等を有している。
超音波計測装置1は、図1に示すように、送出コンベア52により水平状に送出され、電極60の切断工程等の次工程に送出する前の位置に配設され、特に、電極ペースト62の目付け量を算出する計測部7については、本実施形態1では、X軸方向に対し、送出コンベア52と約200(mm)離れた位置に配設されている。
超音波計測装置1は、第1超音波センサ11と第2超音波センサ12とが一対の超音波センサ組を計測部7に有している。この超音波計測装置1は、ロール状に捲回されていた金属箔61の両面61a,61bに電極ペースト62を塗布した電極60の厚み方向Yに対し、一方側(図1中、上側)に第1超音波センサ11を、他方側(図1中、下側)に第2超音波センサ12を、それぞれ空気層ARを介して配置している。
この計測部7には、超音波センサ組として、電極ペースト62の目付け量を計測する実測用超音波センサ組10を少なくとも1組と、第1超音波センサ11及び第2超音波センサ12とは別で、一対の第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22とからなる校正用超音波センサ組20とを有している。なお、本実施形態1に係る超音波計測装置1では、実測用超音波センサ組10は、説明の便宜上、図1等に図示したのは1組である。
校正用超音波センサ組20によるキャリブレーションでは、基準箔65が用いられる。基準箔65は、計測部7において、超音波計測装置1の幅方向(Y軸方向)に電極60と同じ高さ(Z軸方向)で並んで、電極60と共に配置されている。
第1超音波センサ11は、超音波USの伝播がフラットタイプの送信センサであり、超音波の受信をも可能とする超音波センサである。
フラットタイプの送信センサとは、第1超音波センサ11で超音波USを送波する第1振動面11aが、本実施形態1では、1つであり、第1振動面11aの全体形状が円形状に形成された超音波センサである。また、送波した超音波USを、空気層ARを介して、電極60のうち、第1振動面11aと対向するエリア内に少なくとも伝播させることができる超音波センサをいう。
第2超音波センサ12が送信側になる場合についても、第1振動面11aが第2振動面12aに変わるだけで、第1超音波センサ11と実質的に同じである。
フラットタイプの受信センサとは、第2超音波センサ12で超音波USを受波する第2振動面12aが、本実施形態1では、1つであり、第2振動面12aの全体形状が円形状に形成された超音波センサである。また、第1超音波センサ11から送波、照射されて電極60を少なくとも透過した超音波(透過波)USを、空気層ARを介して第2振動面12a全体で受波することができる超音波センサをいう。
第1超音波センサ11が受信側になる場合についても、第2振動面12aが第1振動面11aに変わるだけで、第2超音波センサ12と実質的に同じである。
実測用超音波センサ組10では、例えば、第1,第2超音波センサ11,12の周波数が200KHzの場合、第1超音波センサ11と第2超音波センサ12とは、電極60(または基準箔65)を挟み、空気層ARを介して、対向する第1振動面11aと第2振動面12aとの距離を約70mm離間させて配置されている。
第1校正用超音波センサ21は、超音波USの伝播がフラットタイプの送信センサであり、超音波の受信をも可能とする超音波センサであり、実質的には、第1,第2超音波センサ11,12と同じ仕様の超音波センサである。
すなわち、フラットタイプの送信センサとは、第1校正用超音波センサ21で超音波USを送波する第1振動面21aが、本実施形態1では、1つであり、第1振動面21aの全体形状が円形状に形成された超音波センサである。また、送波した超音波USを、空気層ARを介して、基準箔65と対向するエリア内に少なくとも伝播させることができる超音波センサをいう。
第2校正用超音波センサ22が送信側になる場合についても、第1振動面21aが第2振動面22aに変わるだけで、第1校正用超音波センサ21と実質的に同じである。
すなわち、フラットタイプの受信センサとは、第2校正用超音波センサ22で超音波USを受波する第2振動面22aが、本実施形態1では、1つであり、第2振動面22aの全体形状が円形状に形成された超音波センサである。また、第1校正用超音波センサ21から送波、照射されて基準箔65を少なくとも透過した超音波(透過波)USを、空気層ARを介して第2振動面22a全体で受波することができる超音波センサをいう。
第1校正用超音波センサ21が受信側になる場合についても、第2振動面22aが第1振動面21aに変わるだけで、第2校正用超音波センサ22と実質的に同じである。
実測用超音波センサ組10と同様、校正用超音波センサ組20でも、例えば、第1,第2校正用超音波センサ21,22の周波数が200KHzの場合、第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22とは、基準箔65を挟み、空気層ARを介して、対向する第1振動面21aと第2振動面22aとの距離を約70mm離間させて配置されている。
第1超音波発振器11Fと第2超音波発振器12Fとは、超音波計測制御部5と電気的に接続されている。
超音波計測制御部5は、実測用超音波センサ組10(第1,第2超音波センサ11,12)、及び校正用超音波センサ組20(第1,第2校正用超音波センサ21,22)に対し、超音波USの送受信及び、実測用超音波センサ組10と校正用超音波センサ組20との間で計測条件を制御する。
また、超音波計測制御部5では、実測用超音波センサ組10において、第1超音波センサ11が送波し、第2超音波センサ12が受波する状態を第1状態とし、第1超音波センサ11が受波し、第2超音波センサ12が送波する状態を第2状態としたときに、超音波計測制御部5が、第1超音波センサ11と第2超音波センサ12とに対し、互いに異なるよう、第1状態と第2状態とを交互に置換させる。
具体的には、校正用超音波センサ組20でキャリブレーションを行ったときの計測条件として、第1状態の場合には、第1校正用超音波センサ21から空気層ARを介して超音波を送波したときの送波条件、すなわち、空気層ARの温度、空気層ARの密度、第1校正用超音波センサ21自体の発熱温度等の計測条件値を、実測用超音波センサ組10の第1超音波センサ11に適用し対応させている。
第2状態については、実測用超音波センサ組10において、第1状態のときの第1超音波センサ11が第2超音波センサ12に、校正用超音波センサ組20において、第1状態のときの第1校正用超音波センサ21が第2校正用超音波センサ22に、それぞれ変わるだけで、上述した第1状態の場合と実質的に同じであるため、その説明は省略する。
厚み演算部40は、CPU、RAM及びROM等公知の構成のマイクロコンピュータ(図示しない)を備えている。
図3は、図1中、A−A矢視断面図で、第1,第2超音波センサ、及び電極等の主要部を示した説明図である。図4は、センサユニット部の上面図である。図5は、図4に示すセンサユニット部の半断面図である。図6は、図4に示すセンサユニット部の下面図である。
実測用超音波センサ組10では、図3に示すように、第1,第2超音波センサ11,12に対し、超音波振動面である第1,第2振動面11a,12aと電極60(または基準箔65)の間の空気層ARを包囲する筒状の実測センサ用カバー31がそれぞれ設けられている。
実測センサ用カバー31は、第1,第2振動面11a,12aと電極60との間の空気層ARに対し、外部からの対流の影響を受けないよう、第1,第2超音波センサ11,12の下部から第1,第2振動面11a,12aの周囲を実測センサ用内筒側カバー31Aで包含した形態に設けられている。また、実測センサ用外筒側カバー31Bは、実測センサ用内筒側カバー31Aよりも電極60(または基準箔65)と離れるよう、金属箔61の厚み方向に沿う方向(Z軸方向)に対し、実測センサ用内筒側カバー31Aより短く形成されている。
このセンサ保持部材35では、例えば、アルミニウム等、熱伝導率が高く放熱性に優れた材質からなり、内部空間に収容された第1,第2超音波センサ11,12の外周側の空間が、通気により第1,第2超音波センサ11,12を冷却する冷却室35Sとなっている。センサ保持部材35には、冷却室35Sに冷気を導入する通気導入孔36と、自己発熱した第1,第2超音波センサ11,12を冷却して、第1,第2超音波センサ11,12から熱を奪った温かい空気を冷却室35Sから排気する通気排出孔37とが形成されている。
校正用超音波センサ組20では、図3に示すように、第1,第2校正用超音波センサ21,22に対し、超音波振動面である第1,第2振動面21a,22aと基準箔65の間の空気層ARを包囲する筒状の校正センサ用カバー32がそれぞれ設けられている。
本実施形態1では、校正用超音波センサ組20を収容するセンサユニット部30と、実測用超音波センサ組10を収容するセンサユニット部30とは、実質的に全く同じ構成であるため、説明の便宜上、図面に同じ図番を用いている。
校正センサ用カバー32は、第2振動面21a,22aと基準箔65との間の空気層ARに対し、外部からの対流の影響を受けないよう、第1,第2校正用超音波センサ21,22の下部から第1,第2振動面21a,22aの周囲を校正センサ用内筒側カバー32Aで包含した形態に設けられている。また、校正センサ用外筒側カバー32Bは、校正センサ用内筒側カバー32Aよりも基準箔65と離れるよう、金属箔61の厚み方向に沿う方向(Z軸方向)に対し、校正センサ用内筒側カバー32Aより短く形成されている。
このセンサ保持部材35では、例えば、アルミニウム等、熱伝導率が高く放熱性に優れた材質からなり、内部空間に収容された第1,第2校正用超音波センサ21,22の外周側の空間が、通気により第1,第2校正用超音波センサ21,22を冷却する冷却室35Sとなっている。センサ保持部材35には、冷却室35Sに冷気を導入する通気導入孔36と、自己発熱した第1,第2校正用超音波センサ21,22を冷却して、第1,第2校正用超音波センサ21,22から熱を奪った温かい空気を冷却室35Sから排気する通気排出孔37とが形成されている。
上側スライド軸55Aと下側スライド軸55Bとは、電気的に接続した超音波計測制御部5により、同期した移動及びその停止を自在に動作制御されるようになっている。
具体的には、校正用超音波センサ組10が、基準箔65が配置されている第1位置L1と、第1位置L1から外れ、第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22との間に空気層ARだけが存在する第2位置L2との範囲を、少なくとも移動可能に設けられている。かつ、実測用超音波センサ組10が、第1位置L1と、第1位置L1から外れ、電極60が配置されている第3位置L3との範囲を少なくとも移動可能に設けられている。
本実施形態1に係る超音波計測方法は、前述したように構成された超音波計測装置1を用いて電極ペースト62の目付け量の品質検査を行うときの方法である。
本実施形態1に係る超音波計測方法は、第1超音波センサ11と第2超音波センサ12とが一対の超音波センサ組を有し、ロール状に捲回されていた金属製の金属箔61の両面61a,61bに電極ペースト62を塗布した電極60の厚み方向Zに対し、一方側に第1超音波センサ11を、他方側に第2超音波センサ12を、それぞれ空気層ARを介して配置し、第1超音波センサ11と第2超音波センサ12との間で超音波USを伝播させることにより、電極ペースト62の厚み(目付け量)を計測する超音波計測方法において、超音波センサ組として、電極ペースト62の目付け量を計測する実測用超音波センサ組10を少なくとも1組と、第1超音波センサ11及び第2超音波センサ12とは別で、一対の第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22とからなる校正用超音波センサ組20とを有し、電極ペースト62の厚みの計測時に、校正用超音波センサ組20でキャリブレーションを行うと共に、校正用超音波センサ組20で得られた計測条件値を用いて、実測用超音波センサ組10により、電極ペースト62の目付け量を算出する。
図10は、校正用超音波センサ組による超音波の減衰率を求める様子を示す説明図であり、(a)は基準箔有りで超音波を送信したときの模式図、(b)は(a)の状態において受波側超音波センサで受波した超音波の受信信号を示す。
図11は、校正用超音波センサ組及び実測用超音波センサ組でそれぞれ超音波を送信したときの模式図であり、(a)はキャリブレーションを実施している様子、(b)は電極の目付け量を実測している様子を示す。
図12は、受波側超音波センサの超音波の減衰率と目付け量との関係を示すグラフである。
M=A/α…式5
M:箔の目付け量(g/m2)、α:超音波の減衰率(%)、A:定数
超音波の減衰率αは、校正用超音波センサ組20において、第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22との間に箔を配置せず、空気層ARだけを伝播して受波する超音波USの受信信号(箔無し受信信号)SCと、第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22との間に配置した基準箔65を伝播して受波する超音波USの受信信号(箔有り受信信号)SKとの相対比である。
(ア)比較検討用基準箔Aについて
比較検討用基準箔Aの目付け量MAを求めると、式5より
MA=A/(SKA/SC)…式6 式6より、A=MA×SKA/SC…式7
MA:比較検討用基準箔Aの目付け量(g/m2)、SKA:比較検討用基準箔A
有り受信信号、SC:箔無し受信信号
(イ)比較検討用基準箔Bについて
比較検討用基準箔Bの目付け量MBを求めると、式5より
MB=A/(SKB/SC)…式8 式8より、A=MB×SKB/SC…式9
MB:比較検討用基準箔Bの目付け量(g/m2)、SKB:比較検討用基準箔B有り受信信号
(ウ)比較検討用基準箔Cについて
比較検討用基準箔Cの目付け量MCを求めると、式5より
MC=A/(SKC/SC)…式10 式10より、A=MC×SKC/SC…式11
MC:比較検討用基準箔Cの目付け量(g/m2)、SKC:比較検討用基準箔C有り受信信号
式7、式9、及び式11に示すように、定数A、及び箔無し受信信号SCは一定であるため、式7、式9、及び式11を変形すると、
MA×SKA=MB×SKB=MC×SKC=A×SC=一定…式12
上述したように、式12が導き出される。
MX=A/(SX/SC)…式13
MX:比較検討用基準箔X(電極60)の目付け量(g/m2)、SX:比較検討用基準箔X(電極60)有り受信信号
式12を用いて式13を変形すると、
MX=A×SC/SX=MA×SKA/SX=MB×SKB/SX=MC×SKC
/SX…式14
よって、式14の分子項は、式12より一定値であることから、電極60の目付け量MXが、式12から得られる一定値と、電極60有りの受信信号SXとの相対比から求めることができる。
具体的には、例えば、比較検討用基準箔Aが、キャリブレーションで用いる基準箔65の場合で説明すると、式6の分母項において、箔無し受信信号SCは、図9(a)に示すように、第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22との間に、この基準箔65を配置せず、空気層ARだけを伝播して受波する超音波USの定数としての受信信号である。また、式6の分母項において、比較検討用基準箔A有り受信信号SKAは、第1受信信号SKそのものである。
従って、上記のMX=MA×SKA/SX…式14において、分子項は、予め確認できている基準箔65の重量と、基準箔の面積と、第1受信信号SKとから算出できる。
上述したように、式14の分母項である第2受信信号SXは、目付け量が未知である比較検討用基準箔X、すなわち計測対象の電極60を伝播して受波する超音波USの受信信号であり、第2受信信号SXそのものである。
よって、電極ペースト62の目付け量(厚み)は、第1受信信号SKと第2受信信号S
Xとの相対比により算出する。
また、本実施形態1に係る超音波計測方法は、第1,第2校正用超音波センサ21,22と、第1,第2超音波センサ11,12とは、それぞれ同期して超音波を送受信している。
まず、実測用超音波センサ組10による実測を行う前に、実測用超音波センサ組10の第1,第2超音波センサ11,12、及び校正用超音波センサ組20の第1,第2校正用超音波センサ21,22には、超音波の振動特性が個々に微妙に異なり、個体差がある。そのため、第1,第2超音波センサ11,12、第1,第2校正用超音波センサ21,22において、それぞれ最大出力となる発振周波数を、予め調査し把握しておく。
また、実測用超音波センサ組10と校正用超音波センサ組20との双方を、所定時間、ウォーミングアップとして同時に作動させ、第1,第2超音波センサ11,12、及び第1,第2校正用超音波センサ21,22の自己発熱によるセンサ温度と、雰囲気温度との熱平衡を図っておく。
超音波計測装置1では、実測用超音波センサ組10の第1校正用超音波センサ21は、基準箔65が配置された第1位置L1、電極60が配置された第3位置L3のうち、電極ペースト62が金属箔61に塗布されていない未塗工部の第3位置L3A、及び電極ペースト62が金属箔61に塗布された塗工部の第3位置L3Bで、それぞれ1回当たりの計測で発振波数30波を発振する。
その一方、第2校正用超音波センサ22で取得した基準箔65の透過波US30パルス分のうち、例えば、立ち上がりまでのはじめの約5パルス分の透過波USについては、安定した受信信号として取得できない。そのため、超音波計測制御部5及び厚み演算部40は、安定化する残りの約25パルス分等の透過波USを、平均化等により正弦波に近似させて音波波形に補正した正弦波近似波形の最大振幅値(受信信号)を算出する。
より、校正用超音波センサ組20を、基準箔65が配置された第1位置L1に移動させ、目付け量の算出開始後、時間t1までの間、停止させておく。
この間、実測用超音波センサ組10で、第1超音波センサ11は、第2超音波センサ12との間に、電極ペースト62の未塗工部である第3位置L3A(金属箔61)を挟んで、発振波数30波を発振する。超音波計測制御部5及び厚み演算部40は、このときの発振による安定した分の金属箔61の透過波USに基づいて、上述した正弦波近似波形の最大振幅値(受信信号)を取得する。
同時に、校正用超音波センサ組20では、第1校正用超音波センサ21は、基準箔65を介して第2校正用超音波センサ22との間で、発振波数30波を発振する。超音波計測制御部5及び厚み演算部40が、このときの発振による安定した分の基準箔65の透過波USに基づいて、上述した正弦波近似波形の最大振幅値(受信信号)を取得する。
しかしながら、時間t1までの間、上述したように、実測用超音波センサ組10と校正用超音波センサ組20の双方で同時に、超音波USを金属箔61や基準箔65に透過させて受信信号をそれぞれ取得することで、用いる超音波センサに経年劣化あるいは不良状態にないかを確認することができる。
また、実測用超音波センサ組10と校正用超音波センサ組20の双方で、超音波USを金属箔61や基準箔65に透過させて受信信号をそれぞれ取得することで、実測用超音波センサ組10の第1,第2超音波センサ11,12と、校正用超音波センサ組20の第1,第2校正用超音波センサ21,22との機差や、超音波USが伝播する空気層ARの温度変化による影響を把握することができる。
一方、実測用超音波センサ組10では、少なくとも1回分の計測を実施し、第1超音波センサ11は、基準箔65に向けて1回当たり発振波数30波を発振する。超音波計測制御部5及び厚み演算部40が、このときの発振による安定した分の基準箔65の透過波USに基づいて、上述した正弦波近似波形の最大振幅値(受信信号)を取得する。
また、超音波計測制御部5は、時間t1までに校正用超音波センサ組20で基準箔65を計測した受信信号と、時間t1から時間t2までの間、実測用超音波センサ組10で基準箔65を計測した受信信号とに基づいて、校正用超音波センサ組20と実測用超音波センサ組10との機差を取得する。
目付け量の算出開始後、時間t2になるまでには、X軸方向に対し、搬送開始された電極60の先端部(電極ペースト62の未塗工部)は、送出コンベア52等により、既に次工程側に送出され、この先端部と、搬送終了となる後端部との間の電極ペースト62の塗工部が、超音波計測装置1の計測部7に位置している。
各回の実測で、第1超音波センサ11は、計測1回あたり発振波数30波を発振する。超音波計測制御部5及び厚み演算部40が、このときの発振による安定した分で、電極ペースト62の塗工部(第3位置L3B)及び未塗工部(第3位置L3A)の透過波USに基づいて、上述した正弦波近似波形の最大振幅値(受信信号)を取得する。
また、超音波計測制御部5は、時間t2から時間t3までの間、校正用超音波センサ組20で基準箔65を計測した受信信号と、時間t3から時間t4までの間、実測用超音波センサ組10で基準箔65を計測した受信信号とに基づいて、校正用超音波センサ組20と実測用超音波センサ組10との機差を取得する。
空気層における音速、密度、及び音響インピーダンスは、次式より求められる。
(あ)音速
C=f×λ…式1
C:音速(m/sec)、f:超音波センサの周波数(kHz)、λ:波長(m)
また、
C=331.5+(0.61×t)…式2
t:温度(℃)
(い)密度
ρ=1.293×(273.15/(273.15+t))×(P/1013.2
5)…式3
ρ:密度(kg/m3)(ntp)、t:温度(℃)、P:気圧(atm)
(う)音響インピーダンス
Z=ρ×C…式4
Z:音響インピーダンス(Pa・s/m)
大気圧の下、空気層ARにおける音速、密度、及び音響インピーダンスは、式2及び式4より、空気層ARの温度に比例し、式1中、周波数fを定数とみなすと、波長λも、空気層ARの温度に比例する関係にある。
しかしながら、本実施形態1の超音波計測方法では、実測用超音波センサ組10は、例えば、空気層ARにおける音速、密度、音響インピーダンス、及び伝播する超音波USの波長等、空気層ARの温度変化に伴いパラメータとして変化する計測条件値を、電極ペースト62の目付け量の算出時にリアルタイムに、校正用超音波センサ組20から採り入れて実測している。
そのため、第1超音波センサ11と第2超音波センサ12との間の空気層ARの温度が、たとえ計測中に変化しても、実測用超音波センサ組10が、校正用超音波センサ組20で補正された計測条件値の下、上述したように、実測時の実際の温度に対応した波長に基づいて、電極ペースト62の目付け量を算出することができる。
これに対し、本実施形態1の超音波計測方法では、実測用超音波センサ組10が、校正用超音波センサ組20による計測条件値を、電極ペースト62の目付け量の算出時にリアルタイムに採り入れて実測している。
そのため、第1,第2超音波センサ11,12による実測時と第1,第2校正用超音波センサ21,22によるキャリブレーションの実施時で、空気層ARの温度に差異が生じることはない。
よって、実測用超音波センサ組10の波長の大きさと校正用超音波センサ組20の波長の大きさとの相対差はほとんど生じず、校正用超音波センサ組20の第1,第2校正用超音波センサ21,22と、実測用超音波センサ組10の第1,第2超音波センサ11,12とが共に自己発熱しても、超音波計測をより高精度に行うことができる。
そのため、電極ペースト62の目付け量や目付けプロファイル等、電極ペースト62の厚みに係る品質検査を、電極60の製造ライン上で実施することができる。
そのため、校正用超音波センサ組10と実測用超音波センサ組20との間で、超音波センサの超音波振動面11a,12a,21a,22aの形態の違いに起因した特性上の差異が生じず、実測用超音波センサ組10が、校正用超音波センサ組20によるキャリブレーションで得られた計測条件値を、精度良く適切な状態で取得することができる。
よって、実測用超音波センサ組10は、第1受信信号SX及び第3受信信号SYに基づき、校正用超音波センサ組20との機差を考慮した上で電極ペースト62の目付け量を算出すれば、校正用超音波センサ組20と実測用超音波センサ組10との機差による誤差要因を排除して、電極ペースト62の目付け量を高精度に算出することができる。
これにより、校正用超音波センサ組20で、第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22との間で送受信する超音波USと、実測用超音波センサ組10で、第1超音波センサ11と第2超音波センサ12との間で送受信する超音波USとが、ほぼ同じ条件の下で、空気層ARを伝播するようになる。
よって、実測用超音波センサ組10は、校正用超音波センサ組20と同じ条件の下、雰囲気温度や自己発熱等の温度による誤差要因を排除した高精度の校正値として、校正用超音波センサ組20から得られた計測条件値を取得することで、電極ペースト62の目付け量が、高精度に安定した状態で算出できる。
よって、実測用超音波センサ組10の波長の大きさと校正用超音波センサ組20の波長の大きさとの相対差はほとんど生じず、校正用超音波センサ組20の第1,第2校正用超音波センサ21,22と、実測用超音波センサ組10の第1,第2超音波センサ11,12とが共に自己発熱しても、計測精度を高精度に維持したまま、電極ペースト62の厚みが計測できる。
また、本実施形態1の超音波計測装置1は、製造ラインに設備するときのコストも安価である上、電極60を製造する製造ラインに対し、新設または既設にかかわらず容易に組み込むことができる。
これに対し、本実施形態1の超音波計測装置1は、計測環境変化に対応し、常時、最新の計測条件値を採り入れて電極ペースト62の厚みを計測することができるため、電極ペースト62の目付け量の算出結果は、高精度でかつ高い信頼性を有した計測値となる。
これにより、キャリブレーションを行う雰囲気温度や空気層ARの密度、自己発熱による超音波センサの温度上昇等の計測環境が、たとえ変化しても、校正用超音波センサ組20が、第1位置L1と第2位置L2との間を移動し、基準箔65を透過する超音波USの減衰率αを求めるのに必要な箔有り受信信号SK及び箔無し受信信号SCを常時取得する。よって、電極60の電極ペースト62の厚みの実測時には、計測環境変化に応じて最適な上記減衰率αを取得することができる。
そのため、電極ペースト62の厚みを計測する雰囲気温度や空気層ARの密度、自己発熱による超音波センサの温度上昇等の計測環境が、たとえ変化しても、校正用超音波センサ組20との機差による誤差要因を、より確実に排除することができる。
これにより、校正用超音波センサ組20と実測用超音波センサ組10とも、雰囲気温度や空気層ARの密度等の計測環境に応じた計測条件の設定の変更を、タイムロスがなく効率良く行うことができる。
調査は、受波した超音波をサンプル数9とし、その超音波V1乃至V9が伝播する空気層の対流速度が流速0.1(m/sec.毎)のときに、超音波V1乃至V9の各受信信号強度Pにおける計測電圧をそれぞれ確認した。
その結果、流速0.1(m/sec.毎)で空気層に対流が生じると、図14に示すように、同じ受信信号強度Pでも、計測電圧が最も大きい超音波V9の計測電圧値Q2と、計測電圧が最も小さい超音波V3の計測電圧値Q1との間に変化量δが生じている。変化量δは、計測電圧値Q1の絶対値が計測電圧値Q2の絶対値の約半分に相当する量であり、超音波強度は、空気層の対流による影響を大きく受けていることが判る。
そのため、校正センサ用内筒側カバー32Aと基準箔65との間に僅かな隙間があっても、この小さな隙間を通気する空気は乱流の影響をほとんど受けず、超音波振動面21a,22aと基準箔65との間の空気層ARは、安定した状態を維持することができる。
そのため、実測センサ用内筒側カバー31Aと電極60(または基準箔65)との間に僅かな隙間があっても、この小さな隙間を通気する空気は乱流の影響をほとんど受けず、超音波振動面11a,12aと電極60との間の空気層ARは、安定した状態を維持することができる。
次に、実施形態2に係る超音波計測方法、及び超音波計測装置について説明する。
実施形態1では、超音波計測装置1を、基準箔65を固定させたまま配置する構成とした。また、第1校正用超音波センサ21から送波した超音波USを、固定された基準箔65内の1つの部位に透過させ、第2校正用超音波センサ22で受波した超音波USの信号を、第1受信信号SKとした。また、第1超音波センサ11から送波した超音波USを、固定された基準箔65内の1つの部位に透過させ、第2超音波センサ12で受波した超音波USの信号を、第3受信信号SYとした。また、第1超音波センサ11、第2超音波センサ12、第1校正用超音波センサ21、及び第2校正用超音波センサ22の周波数帯を、100〜250KHzの範囲とした。また、実測用超音波センサ組10に実測センサ用カバー31を、校正用超音波センサ組20に校正センサ用カバー32を設けた。
従って、実施形態1とは異なる部分を中心に説明し、その他について説明を簡略または省略する。
第1超音波センサ211は、超音波USの伝播がフラットタイプの送信センサであり、超音波の受信をも可能とする超音波センサである。
フラットタイプの送信センサとは、第1超音波センサ211で超音波USを送波する第1振動面211aが、本実施形態2では、1つであり、第1振動面211aの全体形状が円形状に形成された超音波センサである。また、送波した超音波USを、空気層ARを介して、電極60のうち、第1振動面211aと対向するエリア内に少なくとも伝播させることができる超音波センサをいう。
第2超音波センサ212が送信側になる場合についても、第1振動面211aが第2振動面212aに変わるだけで、第1超音波センサ211と実質的に同じである。
フラットタイプの受信センサとは、第2超音波センサ212で超音波USを受波する第2振動面212aが、本実施形態2では、1つであり、第2振動面212aの全体形状が円形状に形成された超音波センサである。また、第1超音波センサ211から送波、照射されて電極60を少なくとも透過した超音波(透過波)USを、空気層ARを介して第2振動面212a全体で受波することができる超音波センサをいう。
第1超音波センサ211が受信側になる場合についても、第2振動面212aが第1振動面211aに変わるだけで、第2超音波センサ212と実質的に同じである。
実測用超音波センサ組210では、第1,第2超音波センサ211,212の周波数が40KHzの場合、第1超音波センサ211と第2超音波センサ212とは、例えば、電極60(または基準箔65)を挟み、空気層ARを介して、対向する第1振動面211aと第2振動面212aとの距離を約70mm離間させて配置されている。すなわち、実測用超音波センサ組210では、第1振動面211aと電極60、基準箔65との距離、第2振動面212aと電極60、基準箔65との距離が、何れも35mmに設定されている。
第1校正用超音波センサ221は、超音波USの伝播がフラットタイプの送信センサであり、超音波の受信をも可能とする超音波センサであり、実質的には、第1,第2超音波センサ211,212と同じ仕様の超音波センサである。
すなわち、フラットタイプの送信センサとは、第1校正用超音波センサ221で超音波USを送波する第1振動面221aが、本実施形態2では、1つであり、第1振動面221aの全体形状が円形状に形成された超音波センサである。また、送波した超音波USを、空気層ARを介して、基準箔65と対向するエリア内に少なくとも伝播させることができる超音波センサをいう。
第2校正用超音波センサ222が送信側になる場合についても、第1振動面221aが第2振動面222aに変わるだけで、第1校正用超音波センサ221と実質的に同じである。
すなわち、フラットタイプの受信センサとは、第2校正用超音波センサ222で超音波USを受波する第2振動面222aが、本実施形態2では、1つであり、第2振動面222aの全体形状が円形状に形成された超音波センサである。また、第1校正用超音波センサ221から送波、照射されて基準箔65を少なくとも透過した超音波(透過波)USを、空気層ARを介して第2振動面222a全体で受波することができる超音波センサをいう。
第1校正用超音波センサ221が受信側になる場合についても、第2振動面222aが第1振動面221aに変わるだけで、第2校正用超音波センサ222と実質的に同じである。
実測用超音波センサ組210と同様、校正用超音波センサ組220でも、第1,第2校正用超音波センサ221,222の周波数が40KHzの場合、第1校正用超音波センサ221と第2校正用超音波センサ222とは、例えば、基準箔65を挟み、空気層ARを介して、対向する第1振動面221aと第2振動面222aとの距離を約70mm離間させて配置されている。すなわち、校正用超音波センサ組220では、第1振動面221aと基準箔65との距離、及び第2振動面222aと基準箔65との距離が、何れも35mmに設定されている。
第1超音波発振器211Fと第2超音波発振器212Fとは、超音波計測制御部205と電気的に接続されている。
超音波計測制御部205は、実施形態1で説明した超音波計測制御部5と同様、実測用超音波センサ組210(第1,第2超音波センサ211,212)、及び校正用超音波センサ組220(第1,第2校正用超音波センサ221,222)に対し、超音波USの送受信及び、実測用超音波センサ組210と校正用超音波センサ組220との間で計測条件を制御する。さらに、この超音波計測制御部205は、後述するように、駆動手段280のモータ281の駆動制御と、ロータリーエンコーダ290の検出制御とを行う。
具体的には、駆動手段280は、モータ281と、このモータ281の回転力を伝達する駆動軸282と、駆動伝達部283と、駆動被伝達部284とからなる。モータ281は、超音波計測制御部205と電気的に接続されており、超音波計測制御部205が、モータ281を駆動制御して、モータ281の回転とその停止を行う。駆動伝達部283及び駆動被伝達部284は、駆動軸282の回転方向(図17において、Y軸に沿う軸心を中心とする回転方向)を、軸心G1を中心とする基準箔保持部材270の回転方向(図17において、Z軸に沿う軸心を中心とする回転方向)に変換する。すなわち、駆動手段280は、モータ281の回転を、軸心G1を中心とする基準箔保持部材270の回転運動に変換する。
上記超音波センサの個体機差を確認するには、キャリブレーションを行う校正用超音波センサ組220において、前述した本実施形態2に係る超音波計測方法により、第1受信信号SKを求める必要がある。
第1校正用超音波センサ221の第1振動面221aと基準箔65との間の空気層ARや、第2校正用超音波センサ222の第2振動面222aと基準箔65との間の空気層ARでは、厳密に言えば、空気層ARの密度、空気層ARの温度、及び空気層ARの対流の状態が、時々刻々と変化している。勿論、これ等の空気層ARの状態は、厳密に言えば、実測用超音波センサ組210のある場所と、校正用超音波センサ組220のある場所とで、異なっている。
よって、実測用超音波センサ組210の波長の大きさと校正用超音波センサ組220の波長の大きさとの相対差はほとんど生じず、校正用超音波センサ組220の第1,第2校正用超音波センサ221,222と、実測用超音波センサ組210の第1,第2超音波センサ211,212とが共に自己発熱しても、計測精度を高精度に維持したまま、電極ペースト62の厚みが計測できる。
同様に、校正用超音波センサ組20に対しては、第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22とを、基準箔65を挟んで配置し、この基準箔65を用いて、第1校正用超音波センサ21と第2校正用超音波センサ22とによりキャリブレーションを行った。
超音波計測装置101では、図15に示すように、実測用超音波センサ組10に、第1,第2超音波センサ11,12のほか、第3超音波センサ13と、校正用超音波センサ組20に、第1,第2校正用超音波センサ21,22のほか、第3校正用超音波センサ23とが設けられている。第1超音波センサ11及び第1校正用超音波センサ21は、上側第1スライド軸155Aに取り付け、第3超音波センサ13及び第3校正用超音波センサ23は、上側第2スライド軸155Cに取り付けられている。第2超音波センサ11及び第2校正用超音波センサ22は、下側スライド軸155Bに取り付けられている。
第2超音波センサ12及び第2校正用超音波センサ22を、空気層を介して電極60の他方側(図15中、下側)に、第1超音波センサ11及び第1校正用超音波センサ21の軸心方向Zに向けて電極60を透過した位置に配置する。
勿論、実施形態1と同様、第1,第2,第3校正用超音波センサ21,22,23による第1,第2,第3超音波センサ11,12,13のキャリブレーションや、第1,第2,第3超音波センサ11,12,13と第1,第2,第3校正用超音波センサ21,22,23との機差による誤差要因も排除することができる。
しかしながら、実施形態1のように、基準箔65を固定したまま、上側スライド軸55A及び下側スライド軸55Bに沿って、実測用超音波センサ組10(または校正用超音波センサ組20)を、実測用超音波センサ組10(または校正用超音波センサ組20)から伝播された超音波が基準箔65を透過可能な範囲内で移動させても良い。これにより、駆動手段を設けなくても、基準箔65内で、一列状に並ぶ複数の部位で、第1サンプル受信信号SK1等や第3サンプル受信信号SY1等を取得することができる。
5,205 超音波計測制御部(制御手段)
10,210 実測用超音波センサ組
11,211 第1超音波センサ
11a,21a,211a,212a 第1振動面(超音波振動面)
12,212 第2超音波センサ
13 第3超音波センサ
12a,22a,221a,222a 第2振動面(超音波振動面)
20,220 校正用超音波センサ組
21,221 第1校正用超音波センサ
22,222 第2校正用超音波センサ
23 第3校正用超音波センサ
31 実測センサ用カバー
31A 実測センサ用内筒側カバー
31B 実測センサ用外筒側カバー
32 校正センサ用カバー
32A 校正センサ用内筒側カバー
32B 校正センサ用外筒側カバー
60 電極(塗布製品)
61 金属箔(基材)
61a,61b両面
62 電極ペースト(塗布材)
65 基準箔
270 基準箔保持部材(保持部材)
280 駆動手段
290 位置決め手段
X 長手方向
Y 幅方向
Z 厚み方向
AR 空気層
US 超音波
L1 第1位置
L2 第2位置
L3,L3A,L3B 第3位置
SK 第1受信信号
SK1,SK2,SK3,SK4,SK5 第1サンプル受信信号
SX 第2受信信号
SY 第3受信信号
SY1,SY2,SY3,SY4,SY5 第3サンプル受信信号
M,N 仮想線
Claims (19)
- 第1超音波センサと第2超音波センサとが一対の超音波センサ組を有し、ロール状に捲回されていた金属製の基材の片面または両面に塗布材を塗布した塗布製品の厚み方向に対し、一方側に前記第1超音波センサを、他方側に前記第2超音波センサを、それぞれ空気層を介して配置し、前記第1超音波センサと前記第2超音波センサとの間で超音波を伝播させることにより、前記塗布材の厚みを計測する超音波計測方法において、
前記超音波センサ組として、前記塗布材の厚みを計測する実測用超音波センサ組を少なくとも1組と、前記第1超音波センサ及び前記第2超音波センサとは別で、一対の第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとからなる校正用超音波センサ組とを有し、
前記塗布材の厚みの計測時に、前記校正用超音波センサ組でキャリブレーションを行うと共に、前記校正用超音波センサ組で得られた計測条件値を用いて、前記実測用超音波センサ組により、前記塗布材の厚みを算出すること、
を特徴とする超音波計測方法。 - 請求項1に記載する超音波計測方法において、
前記校正用超音波センサ組では、前記第1校正用超音波センサと前記第2校正用超音波センサとに、超音波の伝播がフラットタイプの超音波センサを用いること、及び
前記実測用超音波センサ組では、前記第1超音波センサと前記第2超音波センサとに、超音波の伝播がフラットタイプの超音波センサを用いること、
を特徴とする超音波計測方法。 - 請求項1または請求項2に記載する超音波計測方法において、
前記校正用超音波センサ組では、前記実測用超音波センサ組による実測前に、前記第1校正用超音波センサと前記第2校正用超音波センサとの間に、キャリブレーションで用いる基準箔を配置し、前記第1校正用超音波センサから送波した超音波を前記基準箔に透過させ、前記第2校正用超音波センサで受波した超音波の第1受信信号を、前記計測条件値として予め取得すること、
前記実測用超音波センサ組では、前記第1超音波センサと前記第2超音波センサとの間で前記塗布製品を透過した超音波の第2受信信号を取得すること、
前記塗布材の厚みは、前記第1受信信号と前記第2受信信号との相対比により算出すること、
を特徴とする超音波計測方法。 - 請求項3に記載する超音波計測方法において、
前記第1校正用超音波センサから送波した超音波を、前記基準箔に透過させ、前記第2校正用超音波センサで受波した超音波の受信信号として、第1サンプル受信信号を、前記基準箔内の複数の部位で取得すること、
前記第1受信信号は、前記複数の第1サンプル受信信号に基づいて処理された信号であること、
を特徴とする超音波計測方法。 - 請求項3または請求項4に記載する超音波計測方法において、
前記実測用超音波センサ組を前記基準箔の配置位置まで移動させ、前記実測用超音波センサ組により、前記第1超音波センサから送波した超音波を前記基準箔に透過させ、前記第2超音波センサで受波した超音波の第3受信信号を取得すること、
を特徴とする超音波計測方法。 - 請求項5に記載する超音波計測方法において、
前記第1超音波センサから送波した超音波を、前記基準箔に透過させ、前記第2超音波センサで受波した超音波の受信信号として、第3サンプル受信信号を、前記基準箔内の複数の部位で取得すること、
前記第3受信信号は、前記複数の前記第3サンプル受信信号に基づいて処理された信号であること、
を特徴とする超音波計測方法。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか1つに記載する超音波計測方法において、
前記第1校正用超音波センサ及び前記第2校正用超音波センサと、前記第1超音波センサ及び前記第2超音波センサとは、それぞれ同期して超音波を送受信していること、
を特徴とする超音波計測方法。 - 第1超音波センサと第2超音波センサとが一対の超音波センサ組を有し、ロール状に捲回されていた金属製の基材の片面または両面に塗布材を塗布した塗布製品の厚み方向に対し、一方側に前記第1超音波センサを、他方側に前記第2超音波センサを、それぞれ空気層を介して配置し、前記第1超音波センサと前記第2超音波センサとの間で超音波を伝播させることにより、前記塗布材の厚みを計測する超音波計測装置において、
前記超音波センサ組として、前記塗布材の厚みを計測する実測用超音波センサ組を少なくとも1組と、前記第1超音波センサ及び前記第2超音波センサとは別で、一対の第1校正用超音波センサと第2校正用超音波センサとからなる校正用超音波センサ組とを有し、
前記実測用超音波センサ組は、前記塗布材の厚みの実測時に、前記校正用超音波センサ組によるキャリブレーションで得られた計測条件値に基づいて、超音波を送受信すること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項8に記載する超音波計測装置において、
前記校正用超音波センサ組では、前記第1校正用超音波センサと前記第2校正用超音波センサとに、超音波の伝播がフラットタイプの超音波センサを用いること、及び
前記実測用超音波センサ組では、前記第1超音波センサと前記第2超音波センサとに、超音波の伝播がフラットタイプの超音波センサを用いること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項8または請求項9に記載する超音波計測装置において、
前記校正用超音波センサ組及び前記実測用超音波センサ組に対し、超音波の送受信と計測条件とを制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記校正用超音波センサ組による前記計測条件値を、前記実測用超音波センサ組にフィードバックすること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項8乃至請求項10のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、
キャリブレーションで用いる基準箔が、前記塗布製品と共に配置され、
前記校正用超音波センサ組が、前記基準箔が配置されている第1位置と、前記第1位置から外れ、前記第1校正用超音波センサと前記第2校正用超音波センサとの間に空気層だけが存在する第2位置との範囲を、少なくとも移動可能に設けられていること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項11に記載する超音波計測装置において、
前記基準箔を保持する保持部材と、前記保持部材を動作させると共に、その動作を停止させる駆動手段と、を備え、
前記保持部材で保持された前記基準箔が、前記駆動手段により、
対向する前記第1超音波センサの中心と前記第2超音波センサの中心とを結ぶ仮想線と交差する範囲内で、前記第1超音波センサ及び前記第2超音波センサと相対的に移動可能に配置されていること、または
対向する前記第1校正用超音波センサの中心と前記第2校正用超音波センサの中心とを結ぶ仮想線と交差する範囲内で、前記第1校正用超音波センサ及び前記第2校正用超音波センサと相対的に移動可能に配置されていること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項12に記載する超音波計測装置において、
動作する前記保持部材に対し、前記仮想線が前記基準箔内の所定部位に交差する状態に対応する位置を検出する位置決め手段を備えていること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項11乃至請求項13のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、
前記実測用超音波センサ組が、前記第1位置と、前記第1位置から外れ、前記塗布製品が配置されている第3位置との範囲を少なくとも移動可能に設けられていること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項11乃至請求項14のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、
捲回されている前記基材は長尺状であり、前記基材の長辺に沿う長手方向及び前記基材の厚み方向に直交する方向を、前記基材の幅方向としたときに、
前記基準箔は、前記塗布製品と前記幅方向に並んで配置され、
前記校正用超音波センサ組と前記実測用超音波センサ組とが、それぞれ前記幅方向に沿う方向に移動すること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項11乃至請求項15のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、
前記校正用超音波センサ組には、前記第1校正用超音波センサと前記第2校正用超音波センサとに対し、超音波振動面と前記基準箔との間の空気層を包囲する筒状の校正センサ用カバーが設けられていること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項8乃至請求項16のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、
前記実測用超音波センサ組には、前記第1超音波センサと前記第2超音波センサとに対し、超音波振動面と前記塗布製品との間の空気層を包囲する筒状の実測センサ用カバーが設けられていること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項16または請求項17に記載する超音波計測装置において、
前記校正センサ用カバー及び前記実測センサ用カバーは、内筒側カバーと、前記内筒側カバーより外側に位置する外筒側カバーとの2重構造で形成され、
前記外筒側カバーは、前記基準箔または前記塗布製品と前記内筒側カバーよりも離れるよう、前記基材の厚み方向に沿う方向に対し、前記内筒側カバーより短く形成されていること、
を特徴とする超音波計測装置。 - 請求項8乃至請求項18のいずれか1つに記載する超音波計測装置において、
前記基材は、前記塗布製品である電池の電極に用いる金属箔であり、前記塗布材は、前記金属箔に塗布された電極ペーストであること、
を特徴とする超音波計測装置。
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