JP4321190B2 - 材料厚さ測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波の伝搬時間を利用して材料の厚さを測定する方法及びその装置に関するものであり、特に材料の温度が大きく変化する環境下での測定に好適な材料厚さ測定方法及び装置に関する。

材料の厚さ測定方法として、材料の厚さ方向に超音波を伝搬させ、その伝搬時間と材料中の超音波音速の積から材料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。図１は、この方法による材料厚さの測定原理を模式的に示したものである。以下、図１に基づいて超音波による材料厚さ測定方法について説明する。

圧電振動子等で構成される超音波探触子１１０を材料１００の表面にグリセリン等を媒体として接触させ、超音波送受信器１２０から超音波探触子１１０に高電圧を印加することにより、材料１００の内部に超音波縦波を発生させる。この縦波は材料１００の底面で反射した後、材料表面に戻ってきて、この縦波の振幅に比例する過渡変位を生じ、材料表面を振動させるが、この材料表面振動を、超音波発生に用いたのと同じ超音波探触子１１０で受信する。

図２は、このときの受信波形を模式的に示したものであり、Ｔは送信波を、又、２Ｌ、４Ｌはそれぞれ材料中を１及び２往復して戻ってきた第１底面エコー、第２底面エコーを表わしている。パルスＴと２Ｌの到達時間間隔ｔ_2Lを縦波伝搬時間計測手段１３０によって測定する。演算手段１４０は、この到達時間間隔ｔ_2L、及び、予め求めておいた材料中の超音波縦波音速Ｖ_Lを用いて、材料の厚さＤを、
Ｄ＝Ｖ_L・ｔ_2L／２ …（１）
として算出する。あるいは、パルス２Ｌと４Ｌの到達時間間隔ｔ_2L´を縦波伝搬時間計測手段１３０によって測定することにより、
Ｄ＝Ｖ_L・ｔ_2L´／２ …（２）
として材料の厚さＤを算出することもできる。

このような材料の厚さ測定法は、超音波探触子１１０を被測定材料１００に接触させる必要があるため、金属の製造ライン等のように測定材料が高温であったり、あるいは高速で移動している場合には、適用が困難である。又、超音波の音速Ｖ_Lは材料の温度によって大きく変化するため、材料厚さを精度良く測定するためには、別途材料の温度を検出して測定時の超音波音速を正確に求める必要がある。

このような問題を解決する方法として、レーザー超音波法と放射温度計を併用する方法が、非特許文献１に記載されている。この方法では、材料表面に高出力のパルスレーザービームを照射して材料表面にアブレーションを発生させ、その反力によって材料内部に超音波縦波を伝搬させ、この縦波が材料内部を伝搬して材料底面で反射し、再び材料表面に到達したときに生ずる材料表面振動、材料表面の過渡変位を光干渉計を用いて非接触で検出するものであり、超音波の送受信に関わる装置以外に放射温度計を別途設けて材料表面温度をモニターし、予め求めておいた材料温度と縦波音速の相関関係に基づいて材料温度変化による影響を補正する方法が好ましいと記されている。

又、特許文献１には、電磁超音波法により発生させた超音波縦波及び横波の伝搬時間を用いて材料の厚さを求める方法が開示されている。この方法では、２組の電磁超音波送受信器を用いて材料内部にそれぞれ超音波縦波及び横波を発生・検出し、縦波及び横波の伝搬時間の比を求める。しかる後に、予め求めておいた材料温度とこの伝搬時間の比との相関関係から縦波あるいは横波の音速を求め、上記（１）式又は（２）式から材料の厚さを算出するものである。この方法は、放射温度計等の温度測定装置を別途設ける必要がないばかりではなく、材料表面温度ではなく材料内部温度をモニターして音速を補正できるので、上記のレーザー超音波法と放射温度計を併用した方法より、材料厚さを高精度で測定することが可能である。

特開昭５４−９７４４７号公報 "Ｐroceeding of ３９th Ｍechanical Ｗork Ｓteel Ｐrocess Ｃonfcrence"，ＩＳＳ，Ｖol．ＸＸＸＶ，ｐ．９２７（１９９８）

しかしながら、上記のレーザー超音波法と放射温度計を併用した材料厚さ測定法には、（１）厚さ測定のために別途高精度の放射温度計を用意する必要があり、測定装置構成が煩雑且つ高価になる、（２）放射温度計では材料の表面温度しか測定できないのに対し、超音波音速は材料の内部温度に依存して変化するので、材料の表面温度と内部温度を同一と見倣せない場合には測定精度が低下する、といった問題があった。例えば材料の厚さが比較的厚く且つ材料が高温の場合には、材料表面は放熱により材料内部に比べて温度が著しく低下するため、後者の問題が顕著に現われる。

又、上記の電磁超音波を利用した厚さ測定法には、（１）原理的に導電性の材料にしか適用できない、（２）縦波送受信用のプローブと横波送受信用プローブを併設する必要があるため、測定装置ヘッド部が複雑且つ大型になる、（３）電磁超音波プローブと材料表面との間隔（リフトオフ）を非常に小さく（例えば１mm）にする必要があるため、材料が上下にバタツキながら移動する製造ライン、あるいは種々の異なる厚さの材料を処理する製造ライン等には適用が困難である、といった問題があった。

本発明は、以上のような問題を解決し、非導電性の材料にも適用でき、材料のバタツキがあったり材料の温度変化が著しいような測定環境下でも、簡便な装置構成によって材料の厚さを非接触且つ高精度で測定できる材料厚さ測定方法及びその装置を提供することを目的とするものである。

上記の問題を解決するため、本発明は、材料表面にレーザービームを照射することにより、該材料内部に超音波を発生させるレーザー照射手段と、異なる経路を伝搬して該材料底面で反射した超音波縦波及び超音波モード変換波を、該材料表面上の前記レーザービームの照射位置から間隔を離した位置で検出する超音波検出手段と、該超音波検出信号から超音波縦波及びモード変換波の該材料中の伝搬時間を計測する伝搬時間計測手段と、予め求めておいた該材料中の縦波音速及び横波音速と温度との相関関係、及び前記照射と検出の位置間隔、材料の厚さ、該材料底面におけるモード変換波の入射角と反射角、前記材料中の音速及び前記伝搬時間との間の関係式とに基づいて、前記計測した伝搬時間から材料の厚さを算出する演算手段と、によって材料厚さ測定装置を構成するようにした。この際、前記超音波検出手段が検出するモード変換波は、レーザービームの照射により発生した縦波が前記材料底面においてモード変換した横波およびレーザービームの照射により発生した横波が前記材料底面においてモード変換した縦波が重畳されたものとすることが好ましい。又、上記超音波検出手段は、レーザー発振装置及び光干渉計によって構成するのが好ましい。又、材料表面上におけるレーザー照射位置と超音波検出位置の距離は材料厚さより小さくなるようにするのが好ましい。

又、本発明では、材料表面にレーザービームを照射して材料内部に超音波を発生させ、異なる経路を伝播して材料底面で反射した超音波縦波及び超音波モード変換波を、該材料表面上の前記レーザービームの照射位置から間隔を離した位置で検出し、検出した超音波縦波及びモード変換波の該材料中の伝搬時間を計測し、予め求めておいた該材料中の縦波音速及び横波音速と温度との相関関係、及び前記照射と検出の位置間隔、材料の厚さ、該材料底面におけるモード変換波の入射角と反射角、前記材料中の音速及び前記伝搬時間との間の関係式とに基づいて、前記計測した伝搬時間から材料の厚さを検出するようにした。

本発明を用いれば、被測定材料の温度が大きく変化するような測定環境下であっても、材料の厚さを非接触且つ高精度で測定することが可能になる。又、単一のレーザー照射手段と単一の超音波検出手段によって縦波とモード変換波を同時に検出することが可能であり、放射温度計等の温度測定センサを別途必要としないので、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。又、光学的手法により超音波を非接触で送受信できるので、被測定材料表面と測定装置との距離を大きく隔てる（例えば５００mm）ことが可能になるので、高温の材料や高速で移動する材料に適用することが可能である。又、電磁超音波法のように測定対象を導電性の材料に限定されたり、材料の厚さ変動によるリフトオフ変化に大きく影響されることがないので、例えばステンレス鋼板の厚さ測定や、数mm程度の厚さ変動のある材料を処理する製造ラインへも適用可能である。更に、材料の厚さと同時に材料の内部温度も検出できるので、製造ライン等で材料温度に依存する材質の評価にも活用できる。

本発明による材料厚さ測定装置の一構成例を図３に示す。又、本発明による材料厚さ測定方法のフローチャートを図４に示す。以下、図３及び図４に基づいて、本発明の実施形態について詳細に説明する。

レーザー照射手段２１０からレーザービーム２１２を被測定材料１００の表面に照射すると、材料表面の熱弾性効果あるいは材料表面のアブレーションの反力によって材料内部に超音波が発生する（ステップ１）。このとき、材料内部には超音波縦波及び超音波横波が同時に発生する。このようにして発生した超音波縦波は、材料内部を伝搬し材料底面で反射した後、材料内部を逆方向に伝搬し材料の前記レーザー照射面に到達するが、材料底面において、縦波の一部は横波に変換（モード変換）されて反射され、材料表面に到達する。同様に、レーザー照射によって発生した横波は、材料底面でその一部を縦波にモード変換された後、材料内部を逆方向に伝搬し材料の前記レーザー照射面に到達する。このようにして材料底面で反射した縦波、横波、モード変換波が再び材料表面に到達すると、材料表面は超音波到達に伴い微小振動するが、この振動を超音波検出手段２２０により検出する（ステップ２）。

このようにして検出された超音波波形の例を図５に模式的に示す。図５において、パルス２Ｌ、４Ｌは、材料の厚さ方向にそれぞれ１及び２往復伝搬した縦波、パルス２Ｓは、材料の厚さ方向に１往復伝搬した横波、パルスＳＬは、材料の厚さ方向に１往復伝搬したモード変換波をそれぞれ表わしている。パルスＳＬには、往路が縦波で復路が横波のものと、往路が横波で復路が縦波のものとが重畳されて検出される。

上記のレーザー照射手段２１０としては、ＱスイッチＹＡＧレーザー等のパルス発振レーザーが好適である。又、レーザービーム２１２を照射することによって材料１００に効率よく超音波を発生させるためには、レーザービームを集光レンズで集束させて被測定材料に照射するとよい。

又、上記の超音波検出手段２２０としては、圧電探触子や電磁超音波探触子等を用いることができるが、より好ましくは、材料と非接触で且つピンポイントで超音波を検出できる構成にする、即ち、レーザー超音波法で一般に用いられるように、超音波検出用レーザーと光干渉計によって構成するのがよい。この場合、超音波検出用レーザーとしては連続発振レーザー又はパルス発振レーザーを、又、光干渉計としては、共焦点ファブリぺロ干渉計や、フォトリフラクティブ効果や非定常光起電力効果を利用した光干渉計等を用いることができる。

次に、伝搬時間計測手段２３０によって、図５に示すような超音波検出信号から、縦波伝搬時間ｔ_2L及びモード変換波伝搬時間ｔ_SLを計測する（ステップ３）。伝搬時間計測手段２３０は従来の超音波厚さ計等に採用されているものを用いればよい。縦波とモード変換波の伝搬時間の両方を測定して後述の演算処理を行なうことにより、材料温度の絶対値あるいは材料温度の経時変化の影響を自動的に補正した材料厚さを高精度で算出できるようになる。なお、前述の従来技術にあるように、縦波と横波の伝搬時間を両方測定し、この比が材料温度と強い相関関係にあることを利用する方法も考えられるが、レーザービーム照射によって発生する横波は、材料表面にほぼ垂直な方向に伝搬するエネルギーが、縦波やモード変換波に比べて格段に小さい（図５参照）ため、伝搬時間測定が困難、あるいは伝搬時間測定精度が低いという問題が生じてしまう。更に、超音波検出手段２２０として光干渉計を利用する場合は、原理的に面内変位が支配的な横波よりも、面外変位が支配的となる縦波の方が高感度で検出可能であり、横波反射パルス２Ｓを充分大きなＳ／Ｎで検出することは困難である。

次に、演算手段２４０により、ステップ３で計測したｔ_2Lとｔ_SL及び測定対象材料に関する縦波音速、横波音速と材料温度の相関関係を利用して材料の厚さＤを算出する（ステップ４）。この相関関係は、測定前に予め求めておくものとする。なお、縦波および横波の速度と温度との相互関係は事前に求めておき、通常はメモリに記憶させ、必要なときに取り出せるようにすることができる。

以下、演算手段２４０による厚さ算出方法について詳述する。被測定材料表面上、レーザー照射手段２１０によるレーザービーム照射位置２１４と超音波検出手段２２０による超音波検出位置２２４との距離を図６に示すようにＬとする。又、図６に示すように、材料１００の厚さをＤ、材料中の縦波及び横波の音速をそれぞれＶ_L、Ｖ_S、材料底面におけるモード変換波の入射及び反射角をそれぞれα、βとする。このとき、縦波及びモード変換波の伝搬時間ｔ_2L及びｔ_SLは、幾何学的な関係から、（３）、（４）式のように表わされる。又、スネルの法則から（５）式が、又、幾何学的位置関係から（６）式が得られる。

一般に超音波の音速は、伝搬する材料の温度によって変化し、例えば炭素鋼板中の縦波音速及び横波音速は図７に示すように材料温度によって大きく変化する。従って、材料温度を一定と見なせる場合を除いて、超音波音速に基づいて材料厚さを正確に測定するには、材料温度による影響を考慮する必要がある。このため本発明では、図７に示すような、縦波音速Ｖ_L及び横波音速Ｖ_Sと材料温度Ｔの相関関係を予め求めておく。このとき（３）式より、縦波伝搬時間ｔ_2Lは、材料厚さＤ、材料温度Ｔ、超音波送受信位置間距離Ｌの関数として表わされる。即ち、
ｔ_2L＝Ｆ｛Ｄ，Ｔ，Ｌ｝ …（７）
と表わすことができる。又、（４）、（５）、（６）式より、モード変換波伝搬時間ｔ_SLも、材料厚さＤ、材料温度Ｔ、超音波送受信位置間距離Ｌの関数として表わされる。即ち、
ｔ_SL＝Ｇ｛Ｄ，Ｔ，Ｌ｝ …（８）
と表わすことができる。超音波送受信位置間距離Ｌは既知であるから、縦波及びモード変換波の伝搬時間ｔ_2L、ｔ_SLを計測すれば、（７）、（８）式を連立させて解くことにより、材料の厚さＤと材料の温度Ｔが同時に求められる。

このようにして、縦波伝搬時間ｔ_2Lとモード変換波伝搬時間ｔ_SLを計測することにより、材料厚さＤと材料内部温度Ｔを同時に求めることができるので、従来法のように放射温度計等の温度センサを別途設ける必要がなくなる。そればかりか、放射温度計を使用した場合のように材料表面温度と材料内部温度の相違による測定誤差がなく、高精度で材料厚さを測定することができる。

以上の説明では、縦波伝搬時間として図５に示すｔ_2Lを用いる場合を示したが、ｔ_2Lの代わりに図５に示すｔ_2L´などを用いてもよく、又、モード変換波伝搬時間としては図５に示すｔ_SLの代わりに図５に示すΔｔ_SLなどを計測するようにしても差し支えない。この場合、ｔ_2L＝ｔ_2L´、Δｔ_SL＝ｔ_SL−ｔ_2Lとなるから、上記と同様の手順で材料厚さを算出することができる。

又、上記の説明では、（７）及び（８）式を連立して解くことにより材料厚さＤを求めると記したが、（３）〜（６）式の関係と、予め求めておいた縦波音速及び横波音速と材料温度の相関関係を利用して材料厚さＤを求める方法であれば、これに限定されるものではない。

更に上記では、板状の材料の厚さを測定する場合について述べたが、例えば管状の材料の肉厚を測定する場合等にも本発明は適用可能である。

以下、本発明による装置・方法を用いた鋼板の厚さ測定の実施例について述べる。

本例の被測定材料は炭素鋼板であり、その厚さは接触式のマイクロメータで測定した結果、１０．７０mmであった。この鋼板を真空加熱炉内で、２５℃（常温）、７００、８００、１０００℃に加熱し、各温度にて本発明による厚さ測定を行なった。測定に用いた装置の概要を図８に示す。レーザー照射手段３１０として、波長１０６４nm、出力約２００mJのＱスイッチＹＡＧレーザーを使用した。このレーザーから発振されるレーザービーム３１２を、シリンドリカルレンズ３１１でビーム幅約２mmに絞って鋼板３００の表面に照射した。又、超音波検出手段としては、連続発振ＹＡＧレーザー（波長５３２nm）３２１と非定常光起電力効果を利用した適応型干渉計３２２を採用した。

鋼板表面上におけるＱスイッチＹＡＧレーザーと連続発振ＹＡＧレーザーの照射位置間距離Ｌについて検討したところ、Ｌを余り大きくすると縦波反射エコーの振幅が小さくなり、又、レーザー照射によって縦波、横波と同時に発生する表面レイリー波エコーが縦波エコーと重畳してしまう問題が発生することが分かった。図９に厚さ１５．２mmの鋼板に対してＬ＝１２mmで採取した超音波受信波形例を示すが、この例ではＬの値を１２mm以上にすると表面レイリー波エコーＲが縦波エコー２Ｌに重畳してしまうことが分かる。従って、照射位置間距離Ｌは、予測される被測定物厚さより小さくするのが好ましい。一方、逆にＬを余り小さくすると、モード変換波エコーを十分なＳ／Ｎで検出できなくなり、又、パルスレーザー照射に伴う材料表面アブレーションの影響で縦波エコーが明瞭に検出できないことが分かった。そこで適切なＬの値として、本実施例では、Ｌ＝４mmとして測定を行なった。

伝搬時間計測手段及び演算手段としては、高速Ａ／Ｄ変換器３３０とコンピュータ３４０を用いた。即ち、干渉計の出力は図示しないバンドパスフィルタを介して高速Ａ／Ｄ変換器３３０に取り込み、ディジタルデータに変換した後、コンピュータ３４０に高速転送した。コンピュータ３４０でのソフト演算により、鋼板中を１往復及び２往復伝搬した縦波エコー２Ｌ、４Ｌの時間差ｔ_2L´、及び、鋼板底面でモード変換したモード変換波エコーＳＬと前記２Ｌの時間差Δｔ_SLを求めた。本実施例で使用したものと同じ鋼種の鋼板に対して、予め図７のような音速と温度との関係式を求めておき、これをもとに（３）〜（６）式により縦波伝搬時間ｔ_2L及びモード変換波伝搬時間ｔ_SLと鋼板厚さ及び鋼板材料の関係式を作成した。Ｌ＝４mmの場合についての関係式を図１０に示す。図１０に示す関係式により材料厚さＤを算出した。例えばｔ_2L´＝４．２１μｓ、Δｔ_SL＝２．１６μｓのとき、ｔ_2L＝４．２１μｓ、ｔ_SL＝６．３７μｓとなるから、図１０に示す関係式により、この鋼板の厚さＤは１０．７mmであることが分かり、同時に測定時の鋼板の内部温度は約８００℃であることも分かる。

上記の方法及び装置を用いて異なる温度下で測定した鋼板厚さを表１に示す。７００℃以上の高温で鋼板厚さが０．１mm大きく測定されているのは、予測される鋼板の熱膨張量とほぼ一致しており、本発明による方法及び装置を用いれば、材料温度が大きく変化しても、複数のセンサあるいは放射温度計等を併設することなく、非接触且つ高精度で材料厚さを測定できることが確認された。一方、本発明法を従来法と比較するため、測定時に放射温度計で鋼板の表面温度を測定し、この温度測定値と縦波伝搬時間から材料厚さを算出した結果も表１に示した。従来法では、放射温度計で温度変化を補正しているにも拘わらず、高温での測定誤差が大きくなる。この原因として、鋼板の表面温度が鋼板の内部温度に比べ低くなっていること、あるいは、放射率変化による放射温度計の測温誤差が考えられる。

従来の材料厚さ測定装置の概略図 従来の材料厚さ測定法における超音波検出波形を示す模式図 本発明による材料厚さ測定装置の構成を示す模式図 本発明による材料厚さ測定におけるフローチャート 本発明による材料厚さ測定法における超音波検出波形を示す模式図 縦波及びモード変換波の伝搬経路を示す模式図 縦波及び横波音速の温度依存性の一例を示す特性図 本発明による材料厚さ測定装置の実施例を示す模式図 本発明による材料厚さ測定波形の一例を示す特性図 本発明による材料厚さ算出手順の一例を示す特性図

符号の説明

１００…被測定材料
１１０…超音波探触子
１２０…超音波送受信器
１３０…縦波伝搬時間計測手段
１４０…演算手段
２１０…レーザー照射手段
２１２…レーザービーム
２１４…レーザービーム照射位置
２２０…超音波検出手段
２２４…超音波検出位置
２３０…伝搬時間計測手段
２４０…演算手段
３００…鋼板
３１０…パルスＹＡＧレーザー
３１１…シリンドリカルレンズ
３２１…連続発振ＹＡＧレーザー
３２２…適応型干渉計
３３０…高速Ａ／Ｄ変換器
３４０…コンピュータ

Claims (6)

1. 材料表面にレーザービームを照射することにより、該材料内部に超音波を発生させるレーザー照射手段と、
   異なる経路を伝搬して該材料底面で反射した超音波縦波及び超音波モード変換波を、該材料表面上の前記レーザービームの照射位置から間隔を離した位置で検出する超音波検出手段と、
   該超音波検出信号から超音波縦波及びモード変換波の該材料中の伝搬時間を計測する伝搬時間計測手段と、
   予め求めておいた該材料中の縦波音速及び横波音速と温度との相関関係、及び前記照射と検出の位置間隔、材料の厚さ、該材料底面におけるモード変換波の入射角と反射角、前記材料中の音速及び前記伝搬時間との間の関係式とに基づいて、前記計測した伝搬時間から材料の厚さを算出する演算手段と、
   を備えたことを特徴とする材料厚さ測定装置。
2. 前記超音波検出手段が検出するモード変換波は、レーザービームの照射により発生した縦波が前記材料底面においてモード変換した横波およびレーザービームの照射により発生した横波が前記材料底面においてモード変換した縦波が重畳されたものであることを特徴とする、請求項１に記載の材料厚さ測定装置。
3. 前記超音波検出手段が、レーザー発振装置及び光干渉計によって構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の材料厚さ測定装置。
4. 上記材料表面上におけるレーザー照射位置と超音波検出位置の距離が材料厚さより小さくなるようにすることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の材料厚さ測定装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の材料厚さ測定装置を組み込んでいることを特徴とする金属材料製造設備列。
6. 材料表面にレーザービームを照射して材料内部に超音波を発生させ、
   異なる経路を伝播して材料底面で反射した超音波縦波及び超音波モード変換波を、該材料表面上の前記レーザービームの照射位置から間隔を離した位置で検出し、
   検出した超音波縦波及びモード変換波の該材料中の伝搬時間を計測し、
   予め求めておいた該材料中の縦波音速及び横波音速と温度との相関関係、及び前記照射と検出の位置間隔、材料の厚さ、該材料底面におけるモード変換波の入射角と反射角、前記材料中の音速及び前記伝搬時間との間の関係式とに基づいて、前記計測した伝搬時間から材料の厚さを検出することを特徴とする材料厚さ測定方法。

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